探索大腦之謎
——記西安交通大學機械工程學院副教授謝俊

□ 劉婉茹

謝俊

2014年10月24日，風靡北美的科幻大片《超體》登陸我國。電影以其超凡的想象力和震撼的視聽效果，讓大腦潛能一時間成為無數(shù)科幻影迷熱議的話題。那么，人的大腦開發(fā)利用了多少？未來大腦真的會具有超能力嗎？這些謎團則需要以科學與理性的角度來一一揭開。

“人類大腦由100多億個神經(jīng)細胞組成，相當于銀河系星體的總數(shù)。然而，人類對自己的大腦至今知之甚少。”西安交通大學機械工程學院副教授謝俊說道。作為一名把腦機接口研究視為終身奮斗事業(yè)的科研工作者，謝俊說，人腦潛能開發(fā)不僅僅是科幻作品的熱門題材，在現(xiàn)實中也引來各方力量的“搶灘”，現(xiàn)在他也在開發(fā)人腦潛能的這條道路上越走越遠。而最初他選擇進入腦機接口領(lǐng)域，不僅僅是興趣所在，更是身上承擔的使命使然：學以致用，以腦機交互技術(shù)提升殘障人士的生活質(zhì)量。正是懷以這樣的使命，謝俊在腦機接口研究中始終堅守如一，并不斷開拓創(chuàng)新。

翻譯“腦電波”

2013年，時任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動腦科學計劃，歐盟和日本也在當年和次年予以響應(yīng)，分別啟動歐洲腦計劃及日本腦計劃。面對激烈的國際競爭，中國腦科學家在2013年就開始醞釀中國的“腦計劃”。2016年，“腦科學與類腦研究”被“十三五”規(guī)劃綱要確定為重大科技創(chuàng)新項目和工程之一。目前，“腦科學與類腦研究”作為“科技創(chuàng)新2030重大項目”已啟動的4個試點之一，進入編制項目實施方案階段。謝俊說，在腦科學和類腦研究進入全球性熱潮的今天，他的研究工作也將搭乘時代發(fā)展的高速列車進入快速發(fā)展之期。

作為一個機械專業(yè)科班出身的人，謝俊在博士期間，從對機械信號的分析，走上對人的大腦信號的分析。他說，雖然研究的對象不一樣了，但都是對信號進行處理，在一定程度上非常相似。

腦機接口，是一種不依賴于大腦外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)。通俗點說，就是人腦想執(zhí)行某個操作，不需要通過肢體動作，只通過腦機接口，即可讓外部設(shè)備讀懂大腦神經(jīng)信號，并將思維活動轉(zhuǎn)換為指令信號，來實現(xiàn)對計算機或其他電子設(shè)備的控制。

那么，腦機交互技術(shù)研究的核心是什么呢？

“調(diào)整人腦和腦機接口系統(tǒng)之間的相互適應(yīng)關(guān)系，尋找出合適的信號處理與轉(zhuǎn)換算法，實時、快速、準確地把腦電信號轉(zhuǎn)換成可以被計算機或其他電子設(shè)備識別輸出控制的信號或命令。”謝俊說，這是腦機接口技術(shù)的核心所在。

腦機接口分為很多種類，有前端、中端和后端。前端，稱之為腦機接口范式，就是用什么方式來識別特定的腦電信號；中端就相當于信號處理；后端則是應(yīng)用?！拔覀冊谇岸诉@方面做得比較有特色，提出了一些國際上比較新的腦電信號刺激方案?！?/p>

謝俊在腦機接口范式領(lǐng)域做了大量創(chuàng)新工作。他告訴記者，腦機接口范式的本質(zhì)是提取和翻譯神經(jīng)細胞的活動。它一方面能夠讓大腦發(fā)出指令，控制計算機或者智能假肢；另一方面，它也能讓我們直接解讀神經(jīng)活動的部分信息，通過圖像、聲音的形式反饋給使用者。相當于你原來用手指敲鍵盤，現(xiàn)在可以用腦電信號敲鍵盤。

然而，要解讀神經(jīng)活動的部分信息，微弱的腦電信號是一大“攔路虎”。為解決這一問題，謝俊在腦機接口范式上作了一個調(diào)整?！拔覀兊拇竽X是一個非線性系統(tǒng)，當你給它輸入噪聲后，在最優(yōu)的噪聲條件下，系統(tǒng)輸出可能會變優(yōu)，產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象。因此，在視覺刺激時候，我給大腦看了一些不同頻率閃爍的同時，加入視覺噪聲進去，這不僅不會降低大腦的響應(yīng)，反而會增強大腦響應(yīng)。我現(xiàn)在基本就做這方面的研究?！?/p>

腦機接口技術(shù)不僅可以控制假肢、計算機鼠標、鍵盤、家用電器等，還為那些肢體殘疾、脊髓損傷、中風、肌萎縮側(cè)索硬化以及其他神經(jīng)肌肉退化的病人，建立了一個大腦與外界世界直接交互的新途徑，改善了他們的生活質(zhì)量。把腦機接口研究用于醫(yī)療康復(fù)，這也是謝俊的一個重點研究領(lǐng)域?！澳壳埃X機接口對正常人應(yīng)用意義不是太大，但是對提高殘障人士，尤其是脊髓側(cè)索硬化，或者是漸凍癥等患者的生活質(zhì)量非常重要?！眹易匀豢茖W基金青年基金項目“聽覺噪聲整合下的視覺誘發(fā)腦機接口及其跨模態(tài)神經(jīng)功能連接效應(yīng)研究”，便是謝俊在腦機接口范式上的探索：以視聽覺腦機接口及其跨模態(tài)神經(jīng)功能連接效應(yīng)為手段，為基于神經(jīng)可塑性的感覺功能障礙康復(fù)尋找新方法。

進行“思維讀取”

感覺功能障礙，是一種發(fā)生在大腦感覺通道的機能改變。感覺障礙患者的大腦在接收外界刺激或?qū)ζ洚a(chǎn)生響應(yīng)的過程中存在一定的神經(jīng)信息傳遞阻礙，通常由視聽覺、觸覺、體感等方面的多種疾病及外周神經(jīng)或大腦的機能障礙引發(fā)，如腦卒中、癲癇等。

“就視聽覺障礙來說，除了完全的耳聾或眼盲等癥狀需要手術(shù)，如采用有創(chuàng)視覺假肢的康復(fù)方式以外，對于存在偏盲等視野缺陷的感覺障礙患者來說，其聽覺皮層功能正常，且現(xiàn)有研究表明，聽覺皮層與視覺皮層有直接的映射關(guān)系，稱之為多感覺整合，通過一定的無創(chuàng)視聽覺聯(lián)合刺激手段能夠促進大腦不同區(qū)域的功能性連接，誘發(fā)皮層神經(jīng)可塑性，實現(xiàn)全部或部分的視聽覺功能恢復(fù)?！?/p>

謝俊說，研究多感覺整合的腦機接口，現(xiàn)已成為一個具有極高探索價值的神經(jīng)康復(fù)研究熱點。但如何通過一種簡單的方式實現(xiàn)跨感覺通路的神經(jīng)功能連接一直是一項挑戰(zhàn)。

在經(jīng)歷大量研究之后，謝俊發(fā)現(xiàn)通過量化噪聲強度來實現(xiàn)對大腦跨模態(tài)功能連接的定量增強，對于感覺障礙患者的視覺、聽覺、觸覺、體感等功能的恢復(fù)具有積極意義。因此，在“聽覺噪聲整合下的視覺誘發(fā)腦機接口及其跨模態(tài)神經(jīng)功能連接效應(yīng)研究”項目中，謝俊準備通過定量整合聽覺噪聲和視覺刺激的方式研究視聽覺腦機接口及其跨模態(tài)神經(jīng)功能連接效應(yīng)。

“在項目中，我準備采用實時神經(jīng)反饋腦機接口誘發(fā)大腦視聽覺隨機共振，促進皮層內(nèi)神經(jīng)元之間的同步激活和皮層間的信息連接，研究不同噪聲強度對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)響應(yīng)的增強作用；并準備通過刺激—噪聲優(yōu)化策略確定大腦在聽覺噪聲下的響應(yīng)規(guī)律，進而構(gòu)筑符合視聽覺生理特性的多層神經(jīng)元仿生模型，再通過視聽覺物理刺激的建模，研究聽覺噪聲在視聽覺通路不同層面上的信息編碼過程，同時借助反演優(yōu)化方法分析不同噪聲強度下腦區(qū)間的空間同步趨勢?！?/p>

以此為基礎(chǔ)，再基于小世界圖論理論，結(jié)合大腦視聽覺區(qū)域特定頻帶時間相關(guān)性，謝俊研究了聽覺噪聲下視聽覺同步的時空映射關(guān)系，來得出神經(jīng)功能連接效應(yīng)隨噪聲強度的變化規(guī)律，以期揭示視聽覺功能在隨機共振下的耦合機制，為基于神經(jīng)可塑性的感覺功能障礙者的康復(fù)開辟通道。

我國存在大量殘障人群，研究智能型助殘設(shè)備，具有極其重要的社會意義和經(jīng)濟價值?，F(xiàn)在，腦機接口研究者們已經(jīng)利用腦機接口技術(shù)，幫助中風、癲癇、自閉癥等神經(jīng)疾病的患者更快地康復(fù)。謝俊也希望以自己所學能提高殘障人士的康復(fù)效率。因為，對他來說，這是一項非常有意義的研究。

除了這個項目外，謝俊還參與了國家自然科學基金委的重大研究計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(原“863”計劃)項目等。在謝俊看來，科學研究既深奧又有趣，但只要圍繞一個小“點”堅持不懈地研究下去，就能有不一樣的收獲。在現(xiàn)在的科研中，他要把長期目標與短期目標結(jié)合起來，正確讀懂大腦的真實意圖，在神經(jīng)科學領(lǐng)域做出更多的創(chuàng)新。