脑机接口（BCI）是人脑与外部设备之间建立的直接连接通道，不仅能够促进人机交互，还可以用于脑科学研究以及神经系统疾病的诊疗。然而，传统脑机接口面临两大挑战：人脑是一个复杂的动态系统，脑电信号存在很强的变异性，导致解码器性能难以长期维持稳定；同时，随着应用场景扩展，脑电信号采集的通道数急剧增长，解码算法也变得更加复杂，为脑电高效实时处理带来巨大挑战。
图1. 提出了自适应神经形态解码器，支持脑机协同演进
针对上述挑战，清华大学集成电路学院与天津大学脑机海河实验室合作，提出了基于忆阻器类脑计算芯片的新型脑机接口解决方案。团队研制了一款128Kb规模的忆阻器芯片作为自适应脑电解码器，构建了完整的脑机接口系统（包含脑电采集、解码和执行器），提出了单步解码策略和交互式更新框架，实现了长期稳定的高效高精度脑电解码与脑机协同演进。
图2. 关键技术创新：（a）单步解码策略；（b）交互式更新框架
该忆阻器芯片采用的单步解码策略，将稳态视觉诱发电位（SSVEP）脑电意图信号的三步解码过程（信号滤波预处理、任务相关分量特征提取、模板匹配分类）整合为单一步骤，将计算复杂度降低6.5倍，同时减少了忆阻器非理想特性对计算精度的影响。在四自由度实时脑控无人机飞行任务中，该解码器达到了与软件计算相当的解码准确率（85.17%）。计算评估显示，忆阻器芯片解码的能耗比CPU降低了3个数量级，归一化处理速度提升了2个数量级。
图3. 基于忆阻器芯片脑电解码的实时脑控无人机飞行
团队开发的交互式更新框架，利用误差相关电位（ErrP）作为大脑对忆阻器解码结果的反馈信号，在实验过程中动态累计新样本用来更新忆阻器解码器，使其能够与动态变化的脑信号协同演进、相互适应。在10名被试参与且平均长达6小时的人机交互实验中，具有协同演进能力的脑机接口比传统接口的解码准确率提高了约20%。在该实验中，大脑和解码器的贡献比例呈现动态变化：初期主要依靠解码器的自适应更新，随着时间推移，大脑的贡献逐渐增加，最终达到两者的动态平衡，完整展示了脑机协同演进的过程。
图4. 大脑-忆阻器解码器协同演进实验：（a）脑电解码准确率，（b）脑电任务相关特征的信噪比和（c）忆阻器解码器的演变过程
该研究实现了生物大脑与神经形态忆阻器类脑芯片的首次紧密交互与协同演进，为人机混合智能开辟了新途径。利用忆阻器的高能效存算一体与电导原位更新的特点，基于类脑芯片的自适应脑电解码在硬件效率和解码准确率上均取得了突破性进展，不仅适用于各类脑机接口系统，还可拓展至神经调控、运动康复、虚拟现实等应用领域。
相关成果以“基于忆阻器自适应神经形态解码器的脑机接口”（A memristor-based adaptive neuromorphic decoder for brain-computer interfaces）为题发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上。清华大学集成电路学院唐建石副教授、吴华强教授和天津大学脑机海河实验室团队许敏鹏教授、明东教授为论文的共同通讯作者，清华大学集成电路学院博士毕业生刘正午（现为香港大学电机电子工程系研究助理教授）和天津大学博士生梅杰为共同第一作者。合作者包括清华大学集成电路学院钱鹤教授、高滨副教授、姚鹏副研究员、天津大学脑机海河实验室团队王坤副教授、香港大学电机电子工程系黄毅副教授、清华大学医学院洪波教授、加州大学圣迭戈分校钟子平教授等。该研究得到了科技部科技创新—2030“脑科学与类脑研究”重大项目、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、香港研究资助局主题研究计划、香港大学基础研究种子基金、天津市脑机交互与人机共融海河实验室、天津大学先进医用材料与医疗器械全国重点实验室、北京集成电路高精尖创新中心、北京信息科学与技术国家研究中心、科学探索奖等支持。
