腦機接口：開啟人類未來新紀元

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備之間直接的雙向交流通道，以同時實現(xiàn)對外部設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、康復等方面具有豐富廣泛的應用場景，可以大大提升醫(yī)療水平，但其在性能、精準、高效、安全等方面仍存在眾多挑戰(zhàn)。

仇曉春

上海交通大學研究館員

▲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，并對其進行分析，從而使得我們可以從“波”的角度來認識我們的大腦。

▲20世紀的腦電圖儀器、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

科學家用浩瀚無垠的宇宙形容大腦的復雜，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，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，美國布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設備植入手術(shù)，四肢癱瘓的病人能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務。2012年，腦機接口設備已能夠勝任更復雜和廣泛的操作，國外有團隊為一位癱瘓女士植入了96個電極的腦機接口設備，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)大腦與外部設備的直接交互，通過腦機接口設備獲取運動、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、管理和預防。同時，隨著現(xiàn)代醫(yī)學對大腦結(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、治療與康復領(lǐng)域擁有廣泛的應用。

▲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。

腦機時代人類進化的四層金字塔的最底層是“修復”。指的是腦機接口技術(shù)如何修復身體機能，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，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”。腦機接口的應用如此之廣闊，自然而然它也預示著無與倫比的、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。如果四十年后你認識的每個人的腦袋里都裝有電子設備，這將是因為一種范式轉(zhuǎn)移而導致的相關(guān)行業(yè)的一場根本變革。

▲腦機時代人類進化的四層金字塔

05

結(jié)語

生物進化是在加速的，而技術(shù)進化是生物進化的延續(xù)，技術(shù)進化也在不斷加速，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化密碼，這四層金字塔的應用要是全都實現(xiàn)，那我們?nèi)祟愓娴木褪强考夹g(shù)的力量實現(xiàn)了下一步的進化。在漫長的歷史進程中，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)融合進生活、賦能產(chǎn)業(yè)，助力國民經(jīng)濟發(fā)展，提升大眾幸福感。

▲華東理工大學團隊在為昏迷患者進行腦機接口評估

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