腦機(jī)接口：癱瘓人士的希望

磊楓　錢站

一個不可忽視的事實是：腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已是大勢所趨。

美國一名四肢癱瘓的男子30年來第一次自己吃飯，他沒用四肢，而是靠自己的大腦。

這名不幸的男子叫Robert Buz Chmielewski，少年時遭遇的一次沖浪事故，導(dǎo)致他四肢癱瘓。2019年，他接受了一次長達(dá)十小時的手術(shù)，醫(yī)護(hù)人員將六個電極植入他的大腦，以此來控制一對機(jī)械手臂。在約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的合作下，Chmielewski現(xiàn)在能夠操縱假肢執(zhí)行不同的任務(wù)，比如喂自己吃夾心小蛋糕。

Chmielewski說：“這真是太酷了！”視頻中，他用大腦命令機(jī)械臂給他切一塊海綿蛋糕，并喂到嘴邊吃下去。雖然過程仍有點費力，但最終他開心得笑起來了，其中的成就感是四肢健全的人難以想象的。當(dāng)然，僅僅能靠自己吃飯還不夠，世界這么精彩，生活這么有趣，能親自體驗更多事物該多好。他說：“我希望能做得更多。”

借助腦機(jī)接口獲得行動力

回到16歲的那一年，馬里蘭州的一次沖浪事故徹底改變了Chmielewski的命運，導(dǎo)致他肩膀以下癱瘓，手腕和肩膀幾乎不能動彈。受夠了30多年無論做什么都要依靠別人的生活，49歲時，Chmielewski自愿加入約翰霍普金斯大學(xué)的研究項目。

2019年，Chmeilewski接受了手術(shù)，目標(biāo)是改善其雙手對外界的感知，實現(xiàn)傳說中的意念控制。具體來講，Chmielewski的大腦兩側(cè)（控制運動和觸覺的區(qū)域）植入了皮質(zhì)內(nèi)微電極陣列傳感器。手術(shù)中項目團(tuán)隊還用到了一種首創(chuàng)的方法，通過實時繪制大腦活動圖來確定放置電極的最佳位置。

Chmeilweki的左臂和右臂連接著三個電極，其他的連接到大腦區(qū)域，這些區(qū)域負(fù)責(zé)傳遞來自假肢手指的感覺反饋。

手術(shù)后幾個月，Chmeilweki就能夠通過由約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室開發(fā)的腦機(jī)接口來控制機(jī)器手臂。

正如研究團(tuán)隊成員、醫(yī)學(xué)博士、約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)主任、教授Pablo Celnik 所說：“這種類型的研究，我們常稱其為腦機(jī)接口（BCI）。目前絕大多數(shù)嘗試都集中在通過控制大腦的一側(cè)實現(xiàn)單機(jī)械臂的控制。因此，通過植入電極從大腦兩側(cè)檢測信號，控制兩條機(jī)械臂執(zhí)行基本的日常活動，可以說是實現(xiàn)更為復(fù)雜任務(wù)的重要一步?！?/p>

對此，研究團(tuán)隊成員、約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)助理教授Gabriela Cantarero博士補(bǔ)充道：“借助腦機(jī)接口同時控制兩條機(jī)械臂是一項特別的挑戰(zhàn)，因為它不是一個簡單的求和，不是說只要在大腦中算出左臂的動作+右臂的動作就行。在這里，可能1加1并不等于2，1加1或許等于3.8?！?/p>

腦機(jī)接口+機(jī)器人+人工智能

參與該項目的科學(xué)家們開始設(shè)計一個結(jié)合了人工智能、機(jī)器人和腦機(jī)接口的閉環(huán)系統(tǒng)。有了這個系統(tǒng)，Chmielewski就能操縱這兩個手臂來執(zhí)行不同的任務(wù)。比如，先用手把蛋糕放在盤子上，然后一只手用刀切甜點，另一只手給自己喂食。

值得關(guān)注的是，這一突破性實驗其實是腦機(jī)接口+機(jī)器人+人工智能的共同成就——在患者體外的硬件部分，研究人員通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)了機(jī)械臂控制的部分自動化。如果說Chmielewski的努力在于通過意識控制保證細(xì)節(jié)（如：蛋糕的準(zhǔn)確位置、蛋糕切好后的具體大?。敲礄C(jī)器人部分的工作則是為了讓這些基本動作更易達(dá)成。

從事人機(jī)合作的APL高級機(jī)器人專家David Handelman說：“我們的目標(biāo)是讓機(jī)器人假肢能夠在意念控制之外負(fù)責(zé)更多動作細(xì)節(jié)，比如吃食物時切多大塊、該從哪里切。通過將腦機(jī)接口信號與機(jī)器人以及人工智能的結(jié)合，我們可以讓人類專注于任務(wù)中最重要的部分?！?/p>

實際上，研究團(tuán)隊一直在探索利用神經(jīng)信號實現(xiàn)系統(tǒng)的“實時”控制。為了檢測效果，還有三位參與者加入了神經(jīng)控制研究，最終三位參與者都成功實現(xiàn)了單機(jī)械臂神經(jīng)控制。

該團(tuán)隊還在研究通過神經(jīng)刺激同時為患者雙手提供感覺反饋的方法。約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室神經(jīng)科學(xué)家、智能假肢研究的首席研究員Francesco Tenore表示，下一步的工作包括：增加患者日常活動的數(shù)量和類型，從而證明這種形式的人機(jī)合作是可靠的，從而為用戶提供額外的感官反饋任務(wù)。這也就意味著，患者不必完全依靠視覺來判斷是否成功，就像普通人系鞋帶時不用看也能感覺到自己的動作，把鞋帶系好。

Chmielweski接受采訪時，談到這項研究對行動不便的人意味著什么。他說，像他這樣的殘疾人，被完全剝奪了一個人的獨立性，尤其是自己吃飯的能力?！澳軌颡毩⒆鲞@些事情，同時還能和家人互動，這是一個重大改變?！?/p>

利用大腦植入物，四肢癱瘓的患者能夠用意識同時控制兩條假肢了，這對于脊髓高度損傷和神經(jīng)肌肉疾病患者的能力恢復(fù)無疑有著重要意義。更多的患者會從這項突破性的實驗中受益。

或許有一天，雙仿生手臂系統(tǒng)也可以安裝在機(jī)器人上，去執(zhí)行人類不喜歡的骯臟、危險或枯燥的任務(wù)。機(jī)器人可以探索和修復(fù)下水道或地下隧道，或者乘坐漫游車飛往火星挖掘巖石樣本。這聽起來很科幻，但實際上我們正一步步向這個方向邁進(jìn)。

此外，值得一提的是，大腦控制兩條機(jī)械手臂實驗是五角大樓國防高級研究計劃局（DARPA）2006年開始的工作的延續(xù)。軍方的想法是迅速改進(jìn)上肢假肢技術(shù)，并為用戶提供操作它的新方法。Chmielewski正在測試的兩只手臂中的一只曾在2018年被一名家住佛羅里達(dá)的男子使用過。這名男子用它來工作、演奏，甚至學(xué)習(xí)演奏了幾首鋼琴曲。

廣闊的未來

近年來，腦機(jī)接口領(lǐng)域的重大突破逐漸多了起來。

2020年1月16日，浙江大學(xué)正式宣布了“雙腦計劃”的科研成果，植入電極的志愿者可利用大腦運動皮層信號精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂，實現(xiàn)三維空間的運動。

2020年4月23日，《細(xì)胞》（Cell）雜志刊登了一篇來自美國俄亥俄州的重磅研究論文，介紹了一個通過腦機(jī)接口系統(tǒng)來恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷的患者手部觸覺和運動能力的案例，該案例中觸覺準(zhǔn)確率已達(dá)到了90%。

在腦機(jī)接口領(lǐng)域，最吸引眼球的公司莫過于“硅谷鋼鐵俠”馬斯克的 Neuralink。2020年8月29日，Neuralink舉行發(fā)布會，展示了最新的可穿戴設(shè)備LINK V0.9和手術(shù)機(jī)器人，并通過現(xiàn)場的三只小豬和實時神經(jīng)元活動演示，展示了 Neuralink腦機(jī)接口技術(shù)的實際應(yīng)用過程。

即便馬斯克在電動車、腦機(jī)接口、上火星等領(lǐng)域都十分激進(jìn)，但在萬眾期待的Neuralink發(fā)布會上，馬斯克請來現(xiàn)場展示的仍然不是人類，腦機(jī)接口技術(shù)的難度由此可見一斑。

值得一提的是，上述三例均屬于“侵入式腦機(jī)接口”，即必須將電極植入到人腦中，而與之對應(yīng)的“非侵入式腦機(jī)接口”則僅是將電極放置在人的頭皮上進(jìn)行信號采集。

談起后者，繞不開一位中國企業(yè)家——盛大集團(tuán)創(chuàng)始人陳天橋。在腦機(jī)接口方面，陳天橋更為注重的是“非侵入式腦機(jī)接口”。2020年10月，TCCI（陳天橋雒芊芊研究院）的首個“腦科學(xué)前沿實驗室”在上海落成，中美腦科學(xué)研究領(lǐng)域的最新成果也一并展示，其中諸如用嗅覺控制夢境的腦科學(xué)領(lǐng)域研究令眾人眼前一亮。

實際上，目前國內(nèi)外已有眾多企業(yè)開始了非侵入式的探索，利用人工智能算法、體外電極貼、手機(jī)APP檢測睡眠質(zhì)量、解決睡眠問題的嘗試已然存在。

不論哪種方式會更先被大眾認(rèn)可，一個不可忽視的事實是：腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已是大勢所趨。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）