國(guó)內(nèi)首款介入式腦機(jī)接口在北京成功完成動(dòng)物試驗(yàn)！腦機(jī)接口到底是什么？

腦機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI [4] )，指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實(shí)早已有之，但直到上世紀(jì)九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。

腦機(jī)接口，有時(shí)也稱作“大腦端口”direct neural interface或者“腦機(jī)融合感知”brain-machine interface，它是在人或動(dòng)物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。在單向腦機(jī)接口的情況下，計(jì)算機(jī)或者接受腦傳來(lái)的命令，或者發(fā)送信號(hào)到腦(例如視頻重建)，但不能同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。而雙向腦機(jī)接口允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。 [2] 在該定義中，“腦”一詞意指有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”?！皺C(jī)”意指任何處理或計(jì)算的設(shè)備，其形式可以從簡(jiǎn)單電路到硅芯片。對(duì)腦機(jī)接口的研究已持續(xù)了超過(guò)40年了。

20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，從實(shí)驗(yàn)中獲得的此類知識(shí)顯著增長(zhǎng)。在多年來(lái)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，應(yīng)用于人體的早期植入設(shè)備被設(shè)計(jì)及制造出來(lái)，用于恢復(fù)損傷的聽覺(jué)、視覺(jué)和肢體運(yùn)動(dòng)能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機(jī)接口相適應(yīng)，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識(shí)的進(jìn)展之下，腦機(jī)接口研究的先驅(qū)者們可令人信服地嘗試制造出增強(qiáng)人體功能的腦機(jī)接口，而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。這種技術(shù)在以前還只存在于科幻小說(shuō)之中。

神經(jīng)修復(fù)是神經(jīng)科學(xué)中和神經(jīng)的修復(fù)相關(guān)的領(lǐng)域，即使用人工裝置(假體)替換掉原有功能已削弱的部分神經(jīng)或感覺(jué)器官。神經(jīng)假體最廣泛的應(yīng)用是人工耳蝸，截止到2006年世界上已有大約十萬(wàn)人植入。也有一些神經(jīng)假體是用于恢復(fù)視力的，如人工視網(wǎng)膜，迄今在這方面的工作僅僅局限于將人工裝置直接植入腦部。腦機(jī)接口和神經(jīng)修復(fù)的區(qū)別主要從字面上就可見其端倪：“神經(jīng)修復(fù)”通常指臨床上使用的裝置，而許多現(xiàn)有的腦機(jī)接口仍然是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的。實(shí)踐上講神經(jīng)假體可以和神經(jīng)系統(tǒng)的任意部分相連接，如外周神經(jīng)系統(tǒng);而“腦機(jī)接口”通常指一類范圍更窄的直接與腦相連接的系統(tǒng)。

二十一世紀(jì)，在人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等社會(huì)發(fā)展的大方向下，各國(guó)紛紛啟動(dòng)有關(guān)腦科學(xué)的研究計(jì)劃。人類對(duì)大腦的結(jié)構(gòu)和功能開發(fā)，有了實(shí)質(zhì)進(jìn)步。

國(guó)家科技創(chuàng)新 2030 重大項(xiàng)目已將“腦科學(xué)與類腦研究”列入啟動(dòng)日程。時(shí)值“十四五”時(shí)期，我國(guó)啟動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域的諸多新課題。腦科學(xué)研究以及人工智能研究與應(yīng)用，是近年來(lái)國(guó)家大力倡導(dǎo)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)與戰(zhàn)略發(fā)展方向。

在政策趨向與技術(shù)能力助力下，視友科技腦科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了更豐富、多元的社會(huì)、生活場(chǎng)景落地，品牌實(shí)力日漸凸顯。目前，公司所研發(fā)產(chǎn)品覆蓋腦機(jī)交互、腦機(jī)智能、腦健康、兒童青少年腦智評(píng)估及提升平臺(tái)、腦電認(rèn)知大數(shù)據(jù)平臺(tái)、腦電AI算法、神經(jīng)營(yíng)銷、腦電生物反饋、科教展覽、娛樂(lè)等應(yīng)用領(lǐng)域。

那么人腦真的能與機(jī)器相連嗎?腦機(jī)接口到底是什么，那些神乎其神的功能最終真的能實(shí)現(xiàn)嗎?一提到腦機(jī)接口，我們馬上就會(huì)聯(lián)想到擁有鋼鐵之軀的未來(lái)戰(zhàn)士，又或者只要在大腦上插根線就能把所需要的知識(shí)全部輸送到大腦中，讓我們免去學(xué)習(xí)之苦。沒(méi)錯(cuò)，這些功能的確是腦機(jī)接口的發(fā)展方向，只不過(guò)現(xiàn)在的腦機(jī)接口距離這一步還差著十萬(wàn)八千里，其實(shí)說(shuō)十萬(wàn)八千里還是低調(diào)了，事實(shí)上這些功能最終能否實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在還根本無(wú)法做出判斷。

非侵入式的腦機(jī)接口更容易被人所接受，嚴(yán)格來(lái)講這根本就不能算是接口，它其實(shí)就是一個(gè)頭盔，只不過(guò)這個(gè)頭盔并不是由鋼鐵構(gòu)成，而是由大量的信號(hào)采集器編織而成。我們的大腦在活動(dòng)的時(shí)候，神經(jīng)元會(huì)發(fā)出電磁波，而這個(gè)信號(hào)采集頭盔就可以捕捉這些信號(hào)，然后再將這些信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備上進(jìn)行解析。通過(guò)這樣一個(gè)信號(hào)采集頭盔，我們就能達(dá)到用思維來(lái)控制外部設(shè)備的目的。不過(guò)這種非侵入式的腦機(jī)接駁裝置具有很大的局限性，它所接收到的信號(hào)是非常微弱的，而且也不夠精準(zhǔn)，注定無(wú)法完美實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合。

人的大腦與身體形成了非常緊密的關(guān)系，大腦的想法要靠身體去執(zhí)行。但對(duì)于癱瘓患者來(lái)說(shuō)，這件事情變得非常困難或者不再可能。不過(guò)，在有了腦機(jī)接口之后，癱瘓病人又重新看到了希望。甚至對(duì)于健全人來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口還讓自己有了成為超人的可能。不過(guò)，這種技術(shù)也會(huì)引發(fā)大規(guī)模的道德危機(jī)。

2006 年 10 月 10 日晚，丹尼斯·德格雷(Dennis DeGray)的靈與肉幾乎分離了。出去釣了一天的魚之后，他回到加州太平洋叢林市的家中，然后意識(shí)到自己還沒(méi)有倒垃圾。當(dāng)時(shí)雨下得很大，所以他決定兩手提著袋子從家門口沖到外面的垃圾桶那里。結(jié)果在跑的時(shí)候因?yàn)椴鹊搅讼饦湎碌囊粔K黑色霉菌，他滑倒了，重重地摔到了下巴，在頸椎的第二和第三根椎骨之間發(fā)生了斷裂。

在康復(fù)期間，當(dāng)時(shí) 53 歲的德格雷從醫(yī)生處得知，他的頸骨以下已永久癱瘓。除了退化性抽搐以外，他的軀干或四肢都已經(jīng)不能動(dòng)了。他告訴我：“我受盡了折磨，又不能上呼吸機(jī)。”事故發(fā)生之后的幾年時(shí)間里，他“只能躺著看歷史頻道?！迸邮茏约菏軗p傷的現(xiàn)實(shí)。

一段時(shí)間之后，在一次干細(xì)胞研究的籌款活動(dòng)中，他遇到了斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科教授杰米·亨德森(Jaimie Henderson)。兩人談起了機(jī)器人，這是小時(shí)候就在家里的機(jī)械車間轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去的德格雷一直以來(lái)十分感興趣的話題。根據(jù)德格雷的回憶，亨德森的一個(gè)問(wèn)題把他給迷住了：你想開無(wú)人機(jī)嗎?

亨德森說(shuō)，他和同事一直都在開發(fā)腦機(jī)接口：將人的大腦與計(jì)算機(jī)、機(jī)器人肢體或無(wú)人機(jī)外部設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的連接，然后人就可以用意念來(lái)控制這些設(shè)備。德格雷非?？释麉⑴c這樣的實(shí)驗(yàn)，于是在等待實(shí)驗(yàn)開放以及簽署必要的許可期間，他搬到了門洛帕克，以便離斯坦福更近。 2016 年夏天，亨德森掀開了德格雷的頭骨，裸露出了他的皮層，也就是大腦薄薄的、有皺紋的最外層，然后往里面植入了兩個(gè) 4 毫米 x 4 毫米的電極陣列，樣子跟微型針床有點(diǎn)類似。每個(gè)陣列均配置了 100 個(gè)微小的金屬突起，它們共同記錄了隨運(yùn)動(dòng)皮層約幾百個(gè)神經(jīng)元一起涌動(dòng)的電脈沖，而運(yùn)動(dòng)皮層這個(gè)大腦區(qū)域與自主運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

經(jīng)過(guò)了一段恢復(fù)期之后，亨德森的幾個(gè)合作者來(lái)到德格雷家中，把他安排在電腦屏幕前。屏幕上顯示著一個(gè)由八個(gè) 25 美分硬幣大小的白點(diǎn)組成的圓環(huán)，而這些白點(diǎn)會(huì)輪流發(fā)出橙色的光。德格雷的任務(wù)是只靠自己的意念將光標(biāo)移向發(fā)光的點(diǎn)。而科學(xué)家們則將線纜連接到德格雷頭部突出的金屬基座上，將記錄在他大腦里面的電信號(hào)傳輸給解碼器：也就是附近一個(gè)由運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法的計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)。

這些算法的開發(fā)者是神經(jīng)科學(xué)博士生大衛(wèi)·布萊德曼(David Brandman)，他通過(guò) BrainGate 這個(gè)聯(lián)盟與斯坦福團(tuán)隊(duì)合作。他設(shè)計(jì)的算法可以快速地將不同的神經(jīng)活動(dòng)模式與相關(guān)的預(yù)期手部運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，而且每?jī)傻饺刖透乱淮?，理論上可以讓這種關(guān)聯(lián)逐步變得更加準(zhǔn)確。如果說(shuō)德格雷頭骨里面的神經(jīng)元就像鋼琴上面的音符的話，那么他的獨(dú)特意圖就類似于獨(dú)特的音樂(lè)作品。比方說(shuō)，舉起手的意圖會(huì)與一段神經(jīng)旋律吻合，試圖將手向右移動(dòng)又會(huì)對(duì)應(yīng)另一段神經(jīng)旋律。當(dāng)解碼器學(xué)會(huì)識(shí)別德格雷想要做出的移動(dòng)后，就會(huì)發(fā)送指令把光標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)的方向。

布萊德曼讓德格雷想象一個(gè)可以讓他直觀地控制光標(biāo)的動(dòng)作。德格雷盯著電腦屏幕，腦子開始琢磨該怎么開始，他想起了電影《人鬼情未了》里面的一慕，已經(jīng)死去的薩姆(Sam Wheat，帕特里克·斯威茲飾)用看不見的力量讓一枚硬幣滾動(dòng)，向他的女友證明了自己的幽靈還在。德格雷于是想象自己用手指去推動(dòng)光標(biāo)，就好像它是那枚硬幣，用意志力推動(dòng)它朝目標(biāo)挪動(dòng)。盡管他的手無(wú)法動(dòng)彈，但他還是用盡了全力去這么做。 布萊德曼驚喜地發(fā)現(xiàn)解碼器的運(yùn)算速度如他所愿。在 37 秒之內(nèi)，德格雷控制光標(biāo)到達(dá)了第一個(gè)發(fā)光點(diǎn)。幾分鐘之內(nèi)，他已經(jīng)連續(xù)命中了數(shù)十個(gè)目標(biāo)。

作為長(zhǎng)期臨床研究的一部分，全世界只有幾十個(gè)人的皮層組織嵌入了神經(jīng)接口。 德格雷現(xiàn)在是當(dāng)中最有經(jīng)驗(yàn)也是最敬業(yè)的人之一。自參與試驗(yàn)以來(lái)，他已經(jīng)花費(fèi)了 1800 多個(gè)小時(shí)，接受過(guò)近 400 次的訓(xùn)練課程，參與用意念去控制各種形式的技術(shù)。他玩過(guò)電子游戲，操作過(guò)機(jī)器手臂，發(fā)過(guò)短信和電子郵件，在亞馬遜上買過(guò)東西，甚至還開過(guò)無(wú)人機(jī)，盡管目前只是操控模擬器，但在所有這些事情的過(guò)程中他都沒(méi)有動(dòng)過(guò)一根手指。 德格雷和類似的志愿者正在一起探索一項(xiàng)前沿技術(shù)，如果成功，它有可能從根本上改變?nèi)祟惻c機(jī)器的交互方式。

自 1950 年代以來(lái)，科學(xué)家、工程師就一直在建立腦機(jī)接口并進(jìn)行研究。鑒于大腦的行為有多少仍然是個(gè)謎，尤其是我們?nèi)圆磺宄@三磅重的電果凍是如何產(chǎn)生意識(shí)的，總體來(lái)看，這些系統(tǒng)的成就頗為顯著。癱瘓個(gè)體通過(guò)神經(jīng)接口已經(jīng)學(xué)會(huì)了在數(shù)字鍵盤上演奏簡(jiǎn)單的曲子，能夠控制外骨骼足夠靈巧地操縱機(jī)器假肢喝一瓶水。今年 3 月，一支國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾發(fā)表了一項(xiàng)研究，記錄了全身癱瘓的患者首次通過(guò)腦機(jī)接口靠一個(gè)一個(gè)字母地造句來(lái)表達(dá)自身需求。

神經(jīng)接口還可以在大腦與機(jī)器之間建立雙向的溝通路徑。Nathan Copeland曾在一場(chǎng)車禍中造成胸部以下癱瘓，但2016年的時(shí)候，他不僅能夠用機(jī)械手與奧巴馬總統(tǒng)拳對(duì)拳，假肢回傳信號(hào)到他大腦的電極，刺激到他的感覺(jué)皮層時(shí)，他還得以親身體驗(yàn)到了觸感。通過(guò)大腦成像技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，科學(xué)家們還破譯并部分重建了人們腦海形成的圖像，產(chǎn)生了類似于風(fēng)化的寶麗來(lái)或斑駁油畫的效果。

大多數(shù)開發(fā)腦機(jī)接口的研究人員表示，他們主要感興趣的是治療應(yīng)用，也就是恢復(fù)癱瘓或其他殘疾人的運(yùn)動(dòng)和交流。不過(guò)，這種技術(shù)的潛力顯而易見，加上越來(lái)越多的知名初創(chuàng)企業(yè)也加入了研發(fā)的行列，這些都表明了存在擴(kuò)大采用的可能性：在未來(lái)，除了恢復(fù)失去的能力以外，神經(jīng)接口還會(huì)增強(qiáng)人們的先天能力，并賦予他們新的能力。

隨著科學(xué)技術(shù)的升級(jí)，科學(xué)家們開始運(yùn)用更先進(jìn)的技術(shù)，比如通過(guò)激光術(shù)、超聲波、電磁脈沖、輕度的溝通、電荷直流電影響力等去研究怎么控制我們?nèi)祟惖拇竽X，特斯拉的創(chuàng)始人馬斯克與Facebook的CEO扎克伯格是這個(gè)研討范疇的引領(lǐng)者，他們?cè)谀X機(jī)接口技能的開發(fā)上投入了上億美元，扎克伯格更是在2020年提出元宇宙將會(huì)顛覆未來(lái)的人類社會(huì)。

隨著資本的涌入，人們也會(huì)預(yù)測(cè)此項(xiàng)技術(shù)的危險(xiǎn)性，未來(lái)機(jī)器會(huì)不會(huì)徹底的控制我們?nèi)祟惖拇竽X，讓我們?nèi)祟惓撩杂谔摂M的網(wǎng)絡(luò)世界，也就是元宇宙里呢?

6月25日，我國(guó)自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款介入式腦機(jī)接口在北京成功完成動(dòng)物試驗(yàn)。此次試驗(yàn)的介入式腦機(jī)接口由南開大學(xué)人工智能學(xué)院教授段峰科研團(tuán)隊(duì)牽頭，與上海心瑋醫(yī)療科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)。

據(jù)介紹，本次試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)首次在羊腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)介入式腦機(jī)接口，突破了介入式腦電電極、血管內(nèi)腦電采集等核心技術(shù)，完成了支架、導(dǎo)管等神經(jīng)介入器械產(chǎn)品研制，解決了傳統(tǒng)侵入式腦機(jī)接口對(duì)腦區(qū)造成不可逆損傷的弊端，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)介入式腦機(jī)接口領(lǐng)域空白，對(duì)推動(dòng)我國(guó)腦科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

腦機(jī)接口技術(shù)可以在不依賴外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織的情況下，把大腦皮層的信號(hào)活動(dòng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)指令，控制外界設(shè)備。對(duì)嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者(腦卒中、漸凍癥等)來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口能夠幫助他們獨(dú)立控制外界設(shè)備，恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)能力，提高生活質(zhì)量。

此次試驗(yàn)的腦電極植入術(shù)，由河北工業(yè)大學(xué)教授張建華科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的介入機(jī)器人輔助完成。機(jī)器人采用主從操作方式，由宣武醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師馬永杰在主端操作，成功完成了部分血管造影。試驗(yàn)最終在羊腦血管內(nèi)完成了傳感器植入，并成功采集到了腦電信號(hào)。

段峰介紹，人體內(nèi)血管的支架經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期臨床應(yīng)用及研究，已擁有較高安全性。通過(guò)介入式腦機(jī)接口這一方式沿血管植入傳感器，可以連通并激活大腦區(qū)域，無(wú)需侵入大腦即可獲得腦電信息。此次在動(dòng)物腦內(nèi)開展的介入式腦機(jī)試驗(yàn)研究，對(duì)改善因腦、脊髓、周圍神經(jīng)或肌肉功能障礙導(dǎo)致嚴(yán)重癱瘓患者的功能獨(dú)立性，以及治療癲癇、睡眠障礙、帕金森病等疾病具有重要意義，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。