中國(guó)的腦機(jī)接口和世界的腦機(jī)接口

張?zhí)锟?/p>

2023年5月4日，全球首例非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京取得成功。試驗(yàn)在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂，表明中國(guó)的腦機(jī)接口技術(shù)躋身國(guó)際領(lǐng)先行列。

腦機(jī)接口的歷史和現(xiàn)實(shí)

腦（人）機(jī)接口（BCI）也稱“大腦端口”或“腦機(jī)融合感知”，是把大腦神經(jīng)信號(hào)與外部機(jī)械直接交互起來的技術(shù)，分為單向腦機(jī)接口和雙向腦機(jī)接口。單向腦機(jī)接口是指計(jì)算機(jī)只能接收大腦傳來的命令，或者發(fā)送信號(hào)到大腦，但不能同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)；而雙向腦機(jī)接口允許大腦和外部設(shè)備之間進(jìn)行雙向信息交換，就像人的大腦，既能發(fā)出行動(dòng)指令，又能感受身體各部位傳到大腦的感覺。

研究人員最初于20 世紀(jì)70 年代提出腦機(jī)接口概念，目的是幫助四肢殘疾和脊髓受損的人重新行走或重新支配上下肢，以完成各種生理功能。在探索的過程中，形成了兩種腦機(jī)接口路徑，一是植入式（侵入式），二是感應(yīng)式（非植入式或非侵入式）。

隨著信息技術(shù)和人工智能算法的發(fā)展，20 世紀(jì)末至21 世紀(jì)初，世界各大科技公司介入這一研究領(lǐng)域后，植入式腦機(jī)接口就體現(xiàn)為以特斯拉CEO 埃隆·馬斯克為代表，非植入式腦機(jī)接口則以臉書創(chuàng)始人扎克伯格為代表。

植入式腦機(jī)接口是最早獲得研究突破的，也就是在大腦的特定皮質(zhì)區(qū)植入微小的芯片（電極），以收集大腦的生物電流信號(hào)，并破譯這種信息，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)指令，指揮機(jī)械手或機(jī)械腿，幫助殘疾人完成相應(yīng)的動(dòng)作。

非植入式腦機(jī)接口就是不對(duì)大腦進(jìn)行植入手術(shù)，而是在頭部戴上一個(gè)包含多個(gè)電極的腦電圖掃描儀帽子，收集并記錄頭部產(chǎn)生的微弱的生物電流信號(hào)，然后放大這些信號(hào)。隨后，這些信號(hào)會(huì)被輸入一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將記錄下來的這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)。

此前，英國(guó)理論物理學(xué)家霍金使用的輪椅就裝備了非植入式的腦電圖掃描儀帽子，可以收集霍金的大腦生物電流信號(hào)，并解讀其指令。

比較起來，非植入式腦機(jī)接口比植入式更安全，但是植入式腦機(jī)接口收集的大腦信號(hào)又比非植入式更為強(qiáng)烈和明確，二者各有利弊，由此也形成了競(jìng)爭(zhēng)。

中國(guó)的腦機(jī)接口

中國(guó)研究人員認(rèn)為，腦機(jī)接口有第三種形式，即介入式。

介入式腦機(jī)接口是通過微創(chuàng)介入方式，將血管穿刺小口，通過類似裝心臟支架的微創(chuàng)手術(shù)實(shí)現(xiàn)腦機(jī)連接，創(chuàng)傷較植入式腦機(jī)接口更小，信號(hào)質(zhì)量較非植入式腦機(jī)接口更高。實(shí)際上，就形式而言，這也是一種植入式腦機(jī)接口，只是創(chuàng)傷較小而已。

2020年年初，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院張建民團(tuán)隊(duì)通過開顱手術(shù)在一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入電極，實(shí)現(xiàn)了意念控制機(jī)械手臂的三維運(yùn)動(dòng)，并完成進(jìn)食、飲水和握手等一系列的上肢重要功能運(yùn)動(dòng)。這位72 歲的病人也因此成為目前全球范圍內(nèi)成功利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)功能重建的最高齡志愿者。

近期，南開大學(xué)段峰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合了中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院（301醫(yī)院）、上海心瑋醫(yī)療科技股份有限公司的研究人員，在動(dòng)物身上進(jìn)行了前后期腦機(jī)接口試驗(yàn)。前期是對(duì)羊進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了介入式腦電信號(hào)從被動(dòng)采集到主動(dòng)控制的技術(shù)飛躍，突破了血管內(nèi)腦電信號(hào)采集、介入式腦電信號(hào)識(shí)別等核心技術(shù)。

后期對(duì)非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物猴子進(jìn)行試驗(yàn)，通過介入手術(shù)將介入式腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，不需要開顱手術(shù)即可采集到顱內(nèi)腦電信號(hào)，相較于傳統(tǒng)植入式和非植入式腦機(jī)接口，兼顧了安全性、識(shí)別穩(wěn)定性。介入式腦電傳感器通過頸靜脈進(jìn)入矢狀竇，到達(dá)猴運(yùn)動(dòng)皮層腦區(qū)。在術(shù)后成功采集并識(shí)別到非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物介入式腦電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物對(duì)機(jī)械臂的主動(dòng)控制。

這也意味著，腦機(jī)接口技術(shù)可以將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制指令，幫助運(yùn)動(dòng)功能障礙患者與外部設(shè)備交互，提高生活質(zhì)量。

不過，研究人員認(rèn)為，現(xiàn)在只是對(duì)猴子實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)接口的試驗(yàn)，要進(jìn)入人體試驗(yàn)和真正應(yīng)用于臨床，可能還需要5 年時(shí)間。因?yàn)楝F(xiàn)在還有許多工作和研究要做，如優(yōu)化電極設(shè)計(jì)，驗(yàn)證介入式腦電傳感器在動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)期植入的安全性、可靠性，信號(hào)采集后的進(jìn)一步分析、加工、轉(zhuǎn)化等。

國(guó)外公司的突破

2022年， 澳大利亞的Synchron 公司也采用了微創(chuàng)介入式腦機(jī)接口技術(shù)，就像給心臟做搭橋手術(shù)一樣，將微電極通過人體血管連接到大腦，由此獲得大腦的生物電信號(hào)。該公司的CEO 托馬斯·奧克斯利是澳大利亞的一位神經(jīng)科醫(yī)生，他在澳大利亞研發(fā)出新的腦機(jī)接口技術(shù)，之后把Synchron 公司搬到了美國(guó)紐約。

Synchron 公司的微電極名為stentrode，是一種血管內(nèi)腦機(jī)接口植入物，植入血管后，放置在大腦運(yùn)動(dòng)皮層旁邊的靜脈中，可以獲得與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦信號(hào)。此外，在使用者的胸部還植入了接收裝置，可將神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)浇獯a器。之后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)字指令，讓使用者可以用意念上網(wǎng)，并做出吃飯、穿衣等動(dòng)作。

2022 年7 月6 日，在美國(guó)紐約西奈山醫(yī)院的一張手術(shù)床上，醫(yī)生把一個(gè)長(zhǎng)1.5 英寸（3.81 厘米）的微電極植入一位漸凍癥患者的腦部血管里。這是Synchron 公司首次在美國(guó)為患者完成植入手術(shù)，此前該公司已在澳大利亞為4 名患者完成了同樣的手術(shù)。

醫(yī)生先是在患者的脖子做微創(chuàng)切口，然后通過導(dǎo)管把微電極送到頸靜脈，最終導(dǎo)入大腦運(yùn)動(dòng)皮層內(nèi)的血管。運(yùn)送到位后，再把導(dǎo)管撤掉，微電極的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就會(huì)舒展開，并和血管的外緣（血管壁）結(jié)合。然后，醫(yī)生用電線將微電極和之前就已經(jīng)植入患者胸部的設(shè)備相連。

植入的這個(gè)微電極上有16 個(gè)電極來監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)，并記錄患者在思考時(shí)的神經(jīng)元發(fā)射情況。隨著時(shí)間的推移，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)得到改善，因?yàn)槲㈦姌O會(huì)更深入地融入血管中，并更接近神經(jīng)元。

微電極可以讀取腦部神經(jīng)元發(fā)射的信號(hào)，胸口的設(shè)備則放大這些信號(hào)，然后通過藍(lán)牙傳輸給電腦或者智能手機(jī)，就可以幫助患者用意念上網(wǎng)、發(fā)郵件、發(fā)短信。此前的結(jié)果是，4 名患者沒有出現(xiàn)任何副作用，并且最初的目標(biāo)也都成功實(shí)現(xiàn)了，患者能發(fā)短信、在網(wǎng)上購(gòu)物等。

但是，目前植入的微電極和胸部連接的解碼器算法能力還有限，不能做整句輸入和翻譯，病人只能在屏幕上逐一挑選字母，而腦機(jī)接口設(shè)備會(huì)將患者“是或不是”的想法轉(zhuǎn)換為指令。

Synchron 是目前唯一一家獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)進(jìn)行永久性腦機(jī)接口植入的公司。

腦機(jī)接口如何幫助人

2020 年9 月，在馬斯克創(chuàng)辦的腦機(jī)接口公司Neuralink 的技術(shù)展示活動(dòng)中，馬斯克稱Neuralink 設(shè)計(jì)了一個(gè)硬幣大小的芯片，可以很快治愈癱瘓、耳聾、失明和其他殘疾。Neuralink 的新設(shè)備植入大腦后，就像大腦里的一個(gè)Fitbit 產(chǎn)品（一種智能設(shè)備），可以用手機(jī)App 控制，但是需要在頭部做一個(gè)小切口。

這個(gè)設(shè)備有1 024 個(gè)電極，能夠監(jiān)測(cè)大腦神經(jīng)電活動(dòng)。大腦的神經(jīng)電脈沖數(shù)據(jù)通過芯片無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，既可幫助殘障人士，也可供研究人員進(jìn)行研究。之后，Neuralink 公司對(duì)豬進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了一定成功。但是，在后來對(duì)猴子進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，遇到挫折。

目前，Neuralink 公司的腦機(jī)接口研究陷入停滯，芯片植入人腦的試驗(yàn)仍在等待FDA 的批準(zhǔn)。

從深遠(yuǎn)角度看，腦機(jī)融合不過是腦科學(xué)研究的一種，在人的大腦里植入芯片首先是為了治療疾病。在治療疾病上，腦機(jī)接口具體可以分為3 類：一是幫助殘障人士獲得正常的生理功能和生活能力；二是幫助殘障人士學(xué)習(xí)，如幫助翻書和寫文章；三是治療大腦中因神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生和輸送困難而導(dǎo)致的各種疾病，如帕金森病、癲癇、自閉癥等。

很多大腦疾病都是由于大腦神經(jīng)元受損造成的，大腦受損后，一些信息不容易傳遞到四肢，同時(shí)可能損害大腦中樞內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)傳遞，導(dǎo)致思維混亂。如果通過芯片能補(bǔ)充和增強(qiáng)這些大腦信息的傳輸，就可以治療許多大腦疾病。

馬斯克表示，一旦獲得FDA 的人體試驗(yàn)許可，Neuralink 公司將專注于兩項(xiàng)初步應(yīng)用：一是恢復(fù)視力，即使是那些天生失明的人，仍然有恢復(fù)視力的可能性，因?yàn)榇竽X皮層中感知視覺的部分仍然存在；二是幫助嚴(yán)重癱瘓者，讓他們能用意念使用智能手機(jī)，并且能比普通用戶用手使用智能手機(jī)更快速。

腦機(jī)接口也并非只有Neuralink 公司和Synchron 公司在競(jìng)爭(zhēng)，許多國(guó)家，包括中國(guó)，都參與到這一領(lǐng)域的研發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)中。如上所述，中國(guó)也取得了一些成果。當(dāng)全世界有1 億人患有上肢障礙和癱瘓時(shí)，用腦機(jī)接口幫助他們就有更大的現(xiàn)實(shí)意義。（責(zé)任編輯：白玉磊）