瑞士开发出首个高性能、微型脑机接口芯片 MiBMI，准确率高达 91%

IT之家 9 月 3 日消息，作为一项各国都在探索的前沿技术，脑机接口（BMI）对于帮助严重运动障碍患者恢复沟通和身体控制能力有望带来更具开创性的解决方案，且有可能扩展到语音合成和手写辅助领域，但现有的脑机接口设备体积庞大、耗电量高，且实际应用有限。

瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL，与苏黎世联邦理工学院一起组成瑞士联邦理工学院，2025QS 世界大学排名第 26) IEM 和 Neuro X 研究所的集成神经技术实验室研究人员开发出了一款微型脑机接口 (MiBMI) ，相关研究成果已于8 月 23 日发表于《IEEE 固态电路杂志》上（IT之家附 DOI:10.1109/JSSC.2024.3443254），并在国际固态电路会议上进行了展示。

据介绍，这是全球首个高性能、微型脑机接口系统，为渐冻症（ALS）患者提供了一种小巧、低功耗、高精度且多功能的解决方案，能够在芯片上实现脑与文本的直接通信，它不仅提高了脑机接口的效率和可扩展性，而且为具有实用意义的、完全植入式脑机接口设备铺平了道路，有可能显著提高患有肌萎缩性侧索硬化症 (ALS) 和脊髓损伤等疾病的患者的生活质量。

▲ 图源：EPFL

MiBMI 由两块超薄芯片组成，总面积仅为 8mm2。相比之下，马斯克 Neuralink 的脑机接口设备尺寸约为 23 x 8 mm。

得益于小尺寸和低功耗等关键特性，这种脑机接口系统相比目前已有产品更适合植入式应用，因为它有着最小的侵入性，可确保在临床和现实生活环境中使用的安全性和实用性。同时，它也是一个完全集成的系统，这意味着它可以同时实现数据记录和处理。

项目参与者 Mahsa Shoaran 表示，“MiBMI 允许我们将复杂的神经活动转换为可读文本，具有高精度和低功耗。这项进步使我们更接近实用的、可植入的解决方案，这类解决方案可以显著提高严重运动障碍患者的沟通能力。”

人类大脑在想象写字时会产生特定的神经信号，而在这个过程中，植入大脑的电极会自动记录下与手写动作相关的神经活动，并借助 MiBMI 芯片实时将大脑下达的手部动作指令转换为相应的文本。

这项技术允许个人，尤其是患有闭锁综合征和其他严重运动障碍的个人，通过简单地思考写作来进行交流，从而将其想法转换为屏幕上的文本显示给其他人。

研究人员发现，当患者想象用手写时，每个字母都会有属于自己的特殊标记，研究人员将其命名为 DNC（即独特的神经代码），而脑机接口芯片不需要处理每个字母的数据，只需要处理 DNC（大约一百字节）即可，从而使系统能够在保持低功耗优势的同时更快、更准确地进行处理。此外，这种突破还有助于缩短训练时间，使患者更容易学会如何使用脑机接口设备。

与没有 DNC 的传统低复杂度线性判别分析（LDA）相比，其解码器在内存利用率（∼100×）和计算复杂度（∼320×）方面实现了显著突破。

项目主导者 Mohammed Ali Shaeri 表示，MiBMI 能够以 91.3% 的准确率将这种手写活动的神经信号转换为文本。此外，研究人员在一项体内实验中解码了大鼠对六类声学刺激的神经反应，准确率达 87%。

据介绍，该芯片可以解码 31 个不同的字符，这也是任何其他集成系统都无法比拟的成就。“我们相信我们可以做到解码多达 100 个字符，只是目前还没有包含更多字符的手写数据样本，”Shaeri 补充道。

现有脑机接口设备往往都依赖于外部计算机，而植入大脑的电极部分只是用来负责收集电信号，然后将这些信号发送到外部计算机进行解码。

相对于此，MiBMI 可以在记录数据的同时进行处理，它集成了 192 通道神经记录系统与 512 通道神经解码器，可以说是极端微型化领域的突破性壮举，结合了集成电路、神经工程和 AI 方面的专业知识。

Mahsa Shoaran 表示：我们的目标是开发一种通用的 BMI，可以针对各种神经系统疾病进行定制，为患者提供适用性更广泛的解决方案。