腦機接口：開啟人類未來新紀(jì)元

腦機接口技術(shù)改變?nèi)祟愇磥?/strong>

腦機接口系統(tǒng)旨在建立一種腦與外部設(shè)備之間直接的雙向交流通道，以同時實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和對腦的調(diào)控。腦機接口技術(shù)在腦疾病的診斷、治療、康復(fù)等方面具有豐富廣泛的應(yīng)用場景，可以大大提升醫(yī)療水平，但其在性能、精準(zhǔn)、高效、安全等方面仍存在眾多挑戰(zhàn)。

仇曉春

上海交通大學(xué)研究館員

▲國內(nèi)第一例植入式腦機接口臨床研究

01

腦電波揭開大腦神秘面紗

在生命科學(xué)中，電與磁作為一組深度耦合的信號，攜帶了大量生命體活動的信息，并且在一定程度上具有互補性。以人類最復(fù)雜的器官——大腦為典型代表，由數(shù)以萬計的神經(jīng)元組成，其內(nèi)部神經(jīng)元之間最重要的通訊載體就是電流。

1924年6月，德國耶拿大學(xué)的神經(jīng)內(nèi)科專家漢斯·貝格爾在一名17歲顱骨缺陷的病人頭皮上記錄到了電流計鏡面的微小振動，而這個極微小的電流，正是人類歷史上第一次記錄到的人腦的電活動。大腦處理信息外界的刺激信號，比如聽到的、看到的，都需要以神經(jīng)脈沖的形式來傳遞，把各種信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率、節(jié)奏、波長等神經(jīng)脈沖來表示不同的信息，精確描記大腦活動時的頻率、波長等神經(jīng)脈沖，并對其進(jìn)行分析，從而使得我們可以從“波”的角度來認(rèn)識我們的大腦。

▲20世紀(jì)的腦電圖儀器、漢斯·貝格爾及其記錄的人類腦電信號

02

窺視“三磅宇宙”的小窗

科學(xué)家用浩瀚無垠的宇宙形容大腦的復(fù)雜，它也因此被稱為“三磅宇宙”。按照神經(jīng)信號的獲取途徑，腦機接口主要分為非侵入式和侵入式兩大類。起步較早的是非侵入式腦機接口，它通常是通過放置于頭皮上的電極來記錄腦電信號，并對其進(jìn)行解碼來實現(xiàn)的。

▲2014年FIFA世界杯：胸部以下癱瘓的朱利安諾·平托在外骨骼的幫助下在開幕式上踢出了他的第一腳

侵入式腦機接口往往通過神經(jīng)外科手術(shù)，將電極等傳感設(shè)備植入顱內(nèi)甚至大腦皮層里，采集高時空分辨率和信噪比的神經(jīng)活動信號，并將其傳出進(jìn)行解碼。記錄的神經(jīng)電活動信號主要有動作電位脈沖、局域場電位和皮層腦電圖等。由于開顱手術(shù)和植入器件的過程中，不可避免會造成組織損傷和排異反應(yīng)，因此，侵入式腦機接口的器件植入、手術(shù)過程和解碼算法等，往往需要在獼猴等動物身上試驗成功后，才能轉(zhuǎn)到人體上。2021年，馬斯克的Neuralink公司已能在一只名為“帕格”獼猴身上通過在其腦內(nèi)植入的Neuralink設(shè)備，實現(xiàn)1024道神經(jīng)信號的長期穩(wěn)定記錄，可以讓它在沒有游戲操縱桿的情況下，僅用大腦意念方式就可以控制一臺電腦，玩轉(zhuǎn)“MindPong”游戲（一款模擬兩人玩乒乓球的電子游戲）。

▲腦機接口的典型工作流程

▲2021年Neuralink展示大腦被植入芯片的猴子通過意念玩電腦游戲

03

從實驗室走到現(xiàn)實世界

在科幻電影中，經(jīng)常有這樣的場景——殘疾人可以用機械臂自如地彈唱，失語者可以重新“開口說話”，失聰者能再次聽到聲音，人類依靠“意念”指揮著龐大的機械……其實，這些神奇的場景并不僅僅是科幻想象，現(xiàn)實中，不斷發(fā)展的“腦機接口技術(shù)”正是要在將來讓這些變成現(xiàn)實。近十幾年來，腦機接口不斷接近了人們過去在科幻作品中看到的未來形象。2006年，美國布朗大學(xué)研究團(tuán)隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設(shè)備植入手術(shù)，四肢癱瘓的病人能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標(biāo)控制等任務(wù)。2012年，腦機接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，國外有團(tuán)隊為一位癱瘓女士植入了96個電極的腦機接口設(shè)備，讓她用大腦操控機械臂實現(xiàn)自己喝水、吃飯、打字、與人交流等。2017年，美國凱斯西儲大學(xué)的研究人員通過解碼皮層植入電極陣列記錄到的神經(jīng)信號，對殘疾人的手臂肌肉進(jìn)行功能性電刺激，使得脊髓損傷的殘疾人能通過意念控制原本失控的手臂給自己喂食。

▲將兩個帶有88個導(dǎo)線電極的微電極陣列植入到運動皮層的手部和手臂（圖B），以解碼運動意圖（圖E）。在區(qū)域1（圖B）中植入了另外兩個帶有32個有線電極的微電極陣列，該區(qū)域是體感皮層的皮膚區(qū)域。刺激在參與者右手的手掌和手指中誘發(fā)感覺（圖C，D）

醫(yī)療健康領(lǐng)域是目前腦機接口最直接、最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，也是商業(yè)化程度最高的場景之一。腦機接口技術(shù)可以跨越常規(guī)的大腦信息輸出通路，實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交互，通過腦機接口設(shè)備獲取運動、視覺、聽覺、語言等大腦區(qū)域的信息并分析，實現(xiàn)對疾病的監(jiān)測診斷、治療、康復(fù)、管理和預(yù)防。同時，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對大腦結(jié)構(gòu)和功能的不斷探索，人類已經(jīng)對運動、視覺、聽覺、語言等大腦功能區(qū)有了較為深入的研究，那么通過腦機接口設(shè)備獲取這些大腦區(qū)域的信息并分析，在神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病的體檢診斷、篩查監(jiān)護(hù)、治療與康復(fù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用。

▲盲人受試者根據(jù)對視覺皮層的動態(tài)刺激繪制字母

04

腦機時代人類進(jìn)化的四層金字塔

沒有哪項技術(shù)能像腦機接口一樣，會徹底顛覆我們?nèi)祟愇拿鞯倪M(jìn)程。腦機接口技術(shù)的顛覆性在于，它在試圖替代五萬年來我們賴以生存的協(xié)作工具：語言。它要繞過語言，建立一個能讓大腦和外界直接溝通的全新界面。腦機接口技術(shù)將會開發(fā)出一片我們從未涉足的無人之地。如果我們的交流是通過意識實現(xiàn)的，如果我們能把思想、情感、記憶都上傳到云端，那么我們?nèi)祟愅瓿蓞f(xié)作和創(chuàng)造價值的界面，就會被徹底改變。這個新界面，現(xiàn)在還是一片荒原，但是未來必將被開拓。

腦機時代人類進(jìn)化的四層金字塔的最底層是“修復(fù)”。指的是腦機接口技術(shù)如何修復(fù)身體機能，比如，讓癱瘓病人重新站起來行走，讓失明的人重新獲得視覺功能。這是腦機接口的初衷，也是實驗室里研究最深入的一項應(yīng)用。金字塔的第二層是“改善”。指的是利用腦機接口技術(shù)改善我們的精神狀態(tài)，比如提高注意力，甚至激發(fā)“心流”體驗等。這是腦機接口技術(shù)目前離商業(yè)化最近的應(yīng)用。精神狀態(tài)的改善還包括對青少年情緒抑郁的初篩與干預(yù)，以此延伸到情感計算；以及怎樣利用各類新技術(shù)手段，比如用攝像頭、語音識別結(jié)合腦機接口的方法，來判別抑郁癥與自閉癥。金字塔的第三層是“增強”。埃隆·馬斯克曾經(jīng)斷言：腦機接口相當(dāng)于給人類的大腦，添加了一個叫作“數(shù)字化第三層”的新結(jié)構(gòu)，這個新結(jié)構(gòu)，會讓我們的智能水平大幅度增長，超越我們的生物極限。金字塔的最頂層是“溝通”。腦機接口的應(yīng)用如此之廣闊，自然而然它也預(yù)示著無與倫比的、顛覆性的市場機會，腦機接口對社會影響的深度和廣度，比當(dāng)前的移動互聯(lián)網(wǎng)所帶來的影響只會更強。因為它影響的是人與人之間交流的最基本方式：通過腦電波或者其他比如近紅外方式的交流，來代替語言的交流。所以相應(yīng)的，它創(chuàng)造的市場機會也將是無窮盡的。移動互聯(lián)網(wǎng)把人與人之間交流的距離從千里之外變成了咫尺之遙，而腦機接口則會把人與人之間的交流從咫尺之遙，變成完全零距離。如果四十年后你認(rèn)識的每個人的腦袋里都裝有電子設(shè)備，這將是因為一種范式轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的相關(guān)行業(yè)的一場根本變革。

▲腦機時代人類進(jìn)化的四層金字塔

05

結(jié)語

生物進(jìn)化是在加速的，而技術(shù)進(jìn)化是生物進(jìn)化的延續(xù)，技術(shù)進(jìn)化也在不斷加速，而且兩者都是無方向性的。而真正意義上的腦機接口的出現(xiàn)，則很可能破解人類進(jìn)化密碼，這四層金字塔的應(yīng)用要是全都實現(xiàn)，那我們?nèi)祟愓娴木褪强考夹g(shù)的力量實現(xiàn)了下一步的進(jìn)化。在漫長的歷史進(jìn)程中，人類已經(jīng)一次次成功地獲得了改變世界的技術(shù)，可以樂觀地看到，未來，人類能夠成功將腦機接口技術(shù)融合進(jìn)生活、賦能產(chǎn)業(yè)，助力國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升大眾幸福感。

▲華東理工大學(xué)團(tuán)隊在為昏迷患者進(jìn)行腦機接口評估

07-24熱文

07-19熱文

微信號｜大美科學(xué)