題圖由AI生成

項(xiàng)目以腦積水精準(zhǔn)診療為切口，標(biāo)志著腦機(jī)接口技術(shù)首次突破傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能修復(fù)應(yīng)用范疇，全面走向神經(jīng)重癥這一全新領(lǐng)域，未來將推動(dòng)拓展至更多醫(yī)療應(yīng)用場景，為下一步神經(jīng)重癥精準(zhǔn)診療提供中國技術(shù)、中國標(biāo)準(zhǔn)、中國方案。

圖為學(xué)生在體驗(yàn)新型設(shè)備。

沈 岳攝（人民視覺）

近期，全球首個(gè)神經(jīng)重癥腦機(jī)接口多中心臨床試驗(yàn)啟動(dòng)。該項(xiàng)目聚焦解決腦積水精準(zhǔn)診療這一國際性難題，由天津大學(xué)腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室與天津市環(huán)湖醫(yī)院牽頭，聯(lián)合首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、天壇醫(yī)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院、四川大學(xué)華西醫(yī)院、中南大學(xué)湘雅醫(yī)院、河南省人民醫(yī)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院、天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院等國內(nèi)頂尖醫(yī)療機(jī)構(gòu)。
　　項(xiàng)目以腦積水精準(zhǔn)診療為切口，標(biāo)志著腦機(jī)接口技術(shù)首次突破傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能修復(fù)應(yīng)用范疇，全面走向神經(jīng)重癥這一全新領(lǐng)域，未來將推動(dòng)拓展至更多醫(yī)療應(yīng)用場景，為下一步神經(jīng)重癥精準(zhǔn)診療提供中國技術(shù)、中國標(biāo)準(zhǔn)、中國方案。
　　圖為學(xué)生在體驗(yàn)新型設(shè)備。
　　沈 岳攝（人民視覺）

　　從“意念驅(qū)動(dòng)肢體”夢想成真到“模擬大腦運(yùn)算”智算突破，從“給思維過程拍電影”篩查疾病到“嗅覺功能障礙預(yù)警腦疾”的便捷自測，我國腦認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新成果正密集涌現(xiàn)，為破解大腦奧秘、守護(hù)生命健康打開全新空間。近日，“新天工開物——科技成就發(fā)布會(huì)”腦認(rèn)知科學(xué)專場在北京國家科技傳播中心舉行，集中發(fā)布了中國認(rèn)知科學(xué)學(xué)會(huì)推薦的4項(xiàng)突破性創(chuàng)新成果。

“中國腦科學(xué)在最近十幾年進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。”中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士段樹民在接受采訪時(shí)表示，“影像學(xué)、細(xì)胞分子、人工智能等一些交叉領(lǐng)域技術(shù)突破的滲透，對腦科學(xué)的發(fā)展起到了很大推動(dòng)作用。”

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“北腦一號”智能腦機(jī)系統(tǒng)

意念驅(qū)動(dòng)行動(dòng)，重啟患者人生

漸凍癥患者通過“意念”控制電腦光標(biāo)的點(diǎn)選、在屏幕上輸出常用語句，卒中患者用腦控驅(qū)動(dòng)肌肉刺激裝置開展康復(fù)訓(xùn)練，脊髓損傷患者用“意念”控制機(jī)械臂倒水……在5例植入了“北腦一號”智能腦機(jī)系統(tǒng)的患者身上，腦機(jī)接口技術(shù)展現(xiàn)出令人驚喜的臨床效果。

作為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)百通道以上高通量、無線全植入、準(zhǔn)實(shí)用化的半侵入式腦機(jī)接口產(chǎn)品，“北腦一號”由微型體內(nèi)機(jī)、便攜式體外機(jī)和軟件算法三部分構(gòu)成。其工作流程清晰明確：首先通過微型體內(nèi)機(jī)采集皮層腦電信號，以無線通信的方式經(jīng)體外機(jī)傳輸?shù)郊虞d軟件的計(jì)算機(jī)或智能終端上，最后由軟件算法搭建中樞神經(jīng)與外部設(shè)備的信號通路。由此，“北腦一號”能幫助脊髓損傷、腦卒中、漸凍癥等運(yùn)動(dòng)和/或言語障礙患者實(shí)現(xiàn)功能替代和康復(fù)。

在大腦上“裝機(jī)”，風(fēng)險(xiǎn)高不高？北京腦科學(xué)與類腦研究所儀器儀表中心主任張壘解釋：“‘北腦一號’為半侵入式產(chǎn)品，微型體內(nèi)機(jī)不會(huì)進(jìn)入腦組織內(nèi)環(huán)境，只是放置在硬腦膜外，手術(shù)簡單、安全性高。”

為了盡量減少患者創(chuàng)傷，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在保證信號質(zhì)量的情況下攻克了“微型化集成”的難題——“北腦一號”微型主機(jī)僅1元硬幣大小，能完成高通量、低功耗信號處理。與之連接的柔性薄膜電極薄如蟬翼，厚度僅幾微米，可與腦組織緊密貼合，確保信號采集精準(zhǔn)。

這項(xiàng)硬核技術(shù)的背后，是一支平均年齡僅29歲、學(xué)科背景多元的年輕團(tuán)隊(duì)。本著“面向人民生命健康”的研發(fā)初衷，他們聯(lián)合北京大學(xué)第一醫(yī)院、宣武醫(yī)院、天壇醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)，針對脊髓損傷、腦卒中、漸凍癥等疾病深耕研究。

目前，“北腦一號”已完成5例人體植入，首例患者植入時(shí)間達(dá)到7個(gè)月，有效通道數(shù)保持在98%以上，信號質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定。

“北腦一號”智能腦機(jī)系統(tǒng)早期臨床驗(yàn)證成效明顯，即將開始注冊臨床試驗(yàn)，有望在2—3年后獲批三類醫(yī)療器械注冊證實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市。

從理論探索到實(shí)際應(yīng)用，從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，腦機(jī)接口產(chǎn)品為廣大患者帶來了“重啟人生”的新希望，更展現(xiàn)出我國在這一未來產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新實(shí)力。

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“悟空”超大規(guī)模神經(jīng)擬態(tài)類腦計(jì)算機(jī)

自主芯片破局智算能力，模擬生命大腦

“宇宙中已知最高效、最神秘的‘超級計(jì)算機(jī)’是什么？是人類的大腦。科學(xué)家們一直夢想著，創(chuàng)造出一臺(tái)能像人腦一樣思考的計(jì)算機(jī)。”發(fā)布會(huì)現(xiàn)場，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院求是特聘教授、腦機(jī)智能全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任潘綱說，類腦計(jì)算作為下一代計(jì)算技術(shù)重要候選路徑之一，有望成為未來智能計(jì)算的突破口。

浙江大學(xué)腦機(jī)智能全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室類腦計(jì)算團(tuán)隊(duì)最新研制出的新一代超大規(guī)模的神經(jīng)擬態(tài)類腦計(jì)算機(jī)“悟空”，正朝著這一目標(biāo)邁進(jìn)。

作為核心亮點(diǎn)，“悟空”的硬件實(shí)力格外突出：它的“軀體”由15臺(tái)刀片式類腦服務(wù)器組成，搭載了960顆團(tuán)隊(duì)自研的達(dá)爾文3代類腦計(jì)算芯片；支持的脈沖神經(jīng)元規(guī)模超過20億，接近猴腦水平，已超越此前國際最大神經(jīng)擬態(tài)類腦計(jì)算機(jī)Hala Point；神經(jīng)突觸數(shù)量更超千億。更難得的是，這樣強(qiáng)大的配置在典型運(yùn)行狀態(tài)下，功耗僅約2000瓦，兼顧性能與能效。

專家表示，類腦計(jì)算是一條邁向通用人工智能的新路徑。“悟空”有望從底層原理重構(gòu)智能模型，目前已成功部署多項(xiàng)智能應(yīng)用，可運(yùn)行DeepSeek類腦大模型完成邏輯推理、內(nèi)容生成、數(shù)學(xué)求解等高級任務(wù)。同時(shí)，憑借龐大的神經(jīng)元和突觸資源，它還能初步模擬秀麗線蟲、斑馬魚、小鼠和獼猴等不同神經(jīng)元規(guī)模的動(dòng)物大腦，有助于腦科學(xué)與腦疾病研究減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、加快研究進(jìn)程。

能實(shí)現(xiàn)這樣的突破，離不開研發(fā)中的技術(shù)攻堅(jiān)：硬件層面，團(tuán)隊(duì)攻克晶圓級系統(tǒng)集成方案，讓千百顆類腦芯片能緊湊聚集、互聯(lián)工作；軟件層面，設(shè)計(jì)出“時(shí)間步自適應(yīng)”機(jī)制，確保芯片中20億神經(jīng)元能“聽話”地協(xié)同運(yùn)行。

據(jù)了解，浙江大學(xué)在類腦研究領(lǐng)域起步早、積累深，自2015年起就陸續(xù)牽頭研制成功達(dá)爾文系列三代類腦計(jì)算芯片，該系列已成為國際上最具代表性的類腦芯片之一。

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穿戴式原子磁力計(jì)腦磁圖

“固定掃描”變“移動(dòng)捕捉”，助力腦疾病診斷

我們的思維、情緒等大腦活動(dòng)如何發(fā)生？能否“看見”思維過程，提前捕捉大腦的“故障信號”？如今，比腦電圖更加精準(zhǔn)的“腦磁圖”正將這些變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

“腦磁圖技術(shù)，就是給大腦活動(dòng)拍攝高清、動(dòng)態(tài)的三維‘電影’。”中國科學(xué)院生物物理研究所認(rèn)知科學(xué)與心理健康全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正高級工程師王帆介紹，大腦活動(dòng)產(chǎn)生的微弱電信號會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場傳播過程中受腦組織的干擾遠(yuǎn)小于電信號，因此腦磁圖能清晰反映腦內(nèi)活動(dòng)。

由于腦磁磁場極其微弱，測量難度“堪比在嘈雜的菜市場里聽清一根針掉在地上的聲音”，傳統(tǒng)腦磁圖設(shè)備占地龐大，像個(gè)小型房間，且操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴。

本世紀(jì)初問世的新型探測器——零場原子磁力計(jì)，為該領(lǐng)域帶來突破。2018年，中國科學(xué)院生物物理研究所團(tuán)隊(duì)研制出國內(nèi)首臺(tái)多通道原子磁力計(jì)腦磁圖原型機(jī)，之后推出穿戴式設(shè)備，大幅提升患者適配性。但與此同時(shí)，他們面臨著技術(shù)上的“卡脖子”難題——探測器和磁屏蔽室這兩個(gè)關(guān)鍵部件完全依賴進(jìn)口。

“要做，就必須自己做！”團(tuán)隊(duì)下定決心啃硬骨頭。4年后，自研高性能探測器性能達(dá)到世界先進(jìn)水平，穩(wěn)定性等重要指標(biāo)國際領(lǐng)先，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)；可移動(dòng)、易組裝的磁屏蔽室也成功研發(fā)，不僅能隔絕外部磁場對大腦檢測的干擾，還可應(yīng)用于半導(dǎo)體、精密測量等領(lǐng)域。

穿戴式原子磁力計(jì)腦磁圖技術(shù)未來有望應(yīng)用于多種腦疾病的大規(guī)模篩查、早期診斷，包括兒童的孤獨(dú)癥、多動(dòng)癥，老人的阿爾茨海默病、帕金森病，以及抑郁癥、焦慮癥等精神健康問題。

王帆說，為實(shí)現(xiàn)“哪兒有需求就去哪兒”，團(tuán)隊(duì)將24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)打包成全球首臺(tái)“移動(dòng)式腦磁圖方艙”，可由普通卡車運(yùn)輸。患者單次檢查費(fèi)用將從近萬元降至千元內(nèi)，而且檢查流程快捷舒適。

此外，該技術(shù)還能為腦機(jī)接口、人工智能等前沿領(lǐng)域提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)腦科學(xué)研究。中國科學(xué)院生物物理研究所學(xué)術(shù)副所長、中國認(rèn)知科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任何生表示：“原子磁力計(jì)腦磁圖這種基于全新原理的腦成像技術(shù)，讓我國腦成像研究者有機(jī)會(huì)從起步階段就走在世界前沿。”

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本土化嗅覺功能評估體系與訓(xùn)練體系

從“聞得準(zhǔn)”到“篩得早”，預(yù)警神經(jīng)退行性疾病

“嗅覺明明是鼻子的事兒，怎么能篩查腦子的毛病？”發(fā)布會(huì)上，中國科學(xué)院心理研究所認(rèn)知科學(xué)與心理健康全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員周雯講道，如果老年人莫名出現(xiàn)嗅覺減退，且排除感冒、鼻炎、腦外傷等因素，那么需要警惕這可能是神經(jīng)退行性疾病的報(bào)警信號，應(yīng)該及時(shí)就醫(yī)。這是由于帕金森病中，退行性變最早發(fā)生在嗅球，嗅覺障礙的出現(xiàn)遠(yuǎn)早于手抖，步態(tài)僵直等典型運(yùn)動(dòng)癥狀；阿爾茨海默病中，首先受累的經(jīng)內(nèi)嗅皮質(zhì)，同樣也是嗅覺通路的重要節(jié)點(diǎn)。

神經(jīng)退行性疾病的早期篩查是延緩病情的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)方法依賴醫(yī)院設(shè)備，難以居家監(jiān)測且費(fèi)用較高。對此，中國科學(xué)院心理研究所團(tuán)隊(duì)在深入理解嗅覺機(jī)制的基礎(chǔ)上，面向中國人群開發(fā)“心靈秀”嗅覺功能評估與訓(xùn)練體系，為這一挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新的解決路徑。

該系統(tǒng)可對嗅覺閾值、分辨、識別能力進(jìn)行定量化評估，以反映嗅覺加工環(huán)路不同層級的功能水平。譬如，嗅覺識別測驗(yàn)精選了40種中國人熟悉、辨識度高的氣味，包括花露水、芝麻油、四川辣醬等，組成本土化氣味庫。受檢者嗅聞嗅棒后，在云端交互平臺(tái)點(diǎn)選對應(yīng)氣味名稱，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合作答情況與人口學(xué)信息，對比全國大樣本常模自動(dòng)生成檢查報(bào)告。完成一次嗅覺識別功能的快篩并獲取結(jié)果，全程僅需5—10分鐘。

如果嗅覺功能評估偏低，雖然無法明確確診疾病，但是可以提早4—8年預(yù)警帕金森病風(fēng)險(xiǎn)，提早2—5年預(yù)警阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)患者早診早治。

針對不同原因?qū)е碌男嵊X障礙人群，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了“心靈秀”嗅覺康復(fù)訓(xùn)練。訓(xùn)練者可隨身攜帶香療瓶，在微信小程序內(nèi)定期完成訓(xùn)練任務(wù)，并由專業(yè)人士監(jiān)督效果，形成“檢測—干預(yù)”閉環(huán)。

對于主觀認(rèn)知功能下降或輕度阿爾茨海默病患者，目前主要的醫(yī)學(xué)干預(yù)方法是認(rèn)知訓(xùn)練。周雯介紹，嗅覺訓(xùn)練和認(rèn)知訓(xùn)練的邏輯一樣——通過加強(qiáng)或維持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，延緩老年神經(jīng)退行性疾病病程，且理論上還能撬動(dòng)嗅覺—情緒—記憶環(huán)路。