思維提取、意念控制……腦科學(xué)讓幻想照進(jìn)現(xiàn)實

梁婧

如今，雖然人類已經(jīng)可以“上九天攬月”“下五洋捉鱉”，但對于大腦這個重量僅占人體總重量2%的器官，卻知之甚少。近些年，全球?qū)τ谀X科學(xué)的研究可謂如火如荼，我國的腦科學(xué)研究者也在這場科技角逐中展露鋒芒。從腦信號讀取到意念控制，腦科學(xué)研究在不斷打破人們的思維邊界。

受訪嘉賓：浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師 朱君明

生命科學(xué)的“終極疆域”

問：在眾多科技領(lǐng)域中，腦科學(xué)無疑是最尖端、最前沿的一個，被稱為生命科學(xué)的“終極疆域”。那么，腦科學(xué)的研究范圍有哪些？

答：腦科學(xué)的研究范圍非常廣泛，主要包括四個方面：1.認(rèn)識腦：包括腦的結(jié)構(gòu)與功能、腦神經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、腦的進(jìn)化與發(fā)育、大腦的工作方式與原理等。2 .保護(hù)腦：主要包括促進(jìn)腦發(fā)育、預(yù)防腦損傷、治療腦疾病、延緩腦衰老等方面。3.開發(fā)腦：開發(fā)腦的未知功能、提高腦的運(yùn)用效率，以及通過類腦研究，模擬腦的功能和工作原理，尤其是模擬人腦的信息處理機(jī)制。4.創(chuàng)造腦：即通過構(gòu)建大腦仿真系統(tǒng)，開發(fā)腦型計算機(jī)，打造以數(shù)值計算為基礎(chǔ)的虛擬超級大腦。

問：如今，科技發(fā)達(dá)國家和國際組織早已充分認(rèn)識到腦科學(xué)研究的重要性，相繼啟動了各自有所側(cè)重的“腦計劃”。我國是否也有這樣的“腦計劃”？我國的“腦計劃”主要側(cè)重于哪些方面？

答：2013年美國提出“通過推動創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開展大腦研究（BRAIN）計劃”，探索人類大腦工作機(jī)制、開發(fā)大腦不治之癥的療法等。同年，歐盟啟動“人腦計劃”，通過超級計算機(jī)技術(shù)模擬腦功能，以實現(xiàn)人工智能。2014年，日本科學(xué)家發(fā)起神經(jīng)科學(xué)研究計劃，即日本“腦計劃”（Brain/MINDS），旨在通過研究靈長類動物高級大腦功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以獲得對人類大腦信息處理和疾病的新見解。

與歐美國家、日本的“腦計劃”相比，中國“腦計劃”更為全面。中國“腦計劃”從認(rèn)識腦、保護(hù)腦和模擬腦三個方面，形成“一體兩翼”的總體布局。具體來說，“一體”，即以研究腦認(rèn)知的神經(jīng)原理為主體，比如，大腦的本質(zhì)是什么，大腦是如何思考、學(xué)習(xí)、記憶的，等等?！皟梢怼敝械囊灰恚茄邪l(fā)重大腦疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ?、帕金森病、自閉癥等）的診治、預(yù)防新手段;另一翼則是腦機(jī)智能新技術(shù)，例如腦機(jī)接口。

腦機(jī)接口，從科幻走向現(xiàn)實

問：看科幻電影時，經(jīng)常有這樣的場景：人類通過意念操控龐大的機(jī)械戰(zhàn)甲，或是控制機(jī)械假肢活動。隨著腦機(jī)接口技術(shù)讓這些科幻場景逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，大眾也開始對遙不可及的腦科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚興趣。作為推進(jìn)中國“腦計劃”的關(guān)鍵技術(shù)，腦機(jī)接口到底是什么？

答：腦機(jī)接口是在人腦與計算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立直接交流和控制的通道。腦機(jī)接口繞過了神經(jīng)和肌肉組織，直接將大腦與外部世界連接起來，使人通過“意念”即可控制外部設(shè)備。

腦機(jī)接口可分為植入式與非植入式兩大類，前者雖然有一定手術(shù)創(chuàng)傷性及可能的手術(shù)并發(fā)癥，但其采集到的腦電信號在信號質(zhì)量、穩(wěn)定性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于非植入式腦機(jī)接口。

問：在醫(yī)療領(lǐng)域，腦機(jī)接口能夠解決哪些問題？

答：腦機(jī)接口較為廣泛、成熟的臨床應(yīng)用是人工耳蝸。人工耳蝸將聲音轉(zhuǎn)換為電信號，通過植入體內(nèi)的電極系統(tǒng)恢復(fù)或重建患者的聽覺功能。

通過腦機(jī)接口實現(xiàn)“意念控制”，則可以幫助高位截癱、腦卒中后偏癱、漸凍癥等患者，借助外部設(shè)備，重建肢體運(yùn)動功能。所謂“意念控制”，其實是通過植入電極，采集腦神經(jīng)發(fā)出的電信號并進(jìn)行解碼，將“意念”提取出來，轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備如機(jī)械手臂的動作指令。去年，我們浙江大學(xué)腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊成功地讓一位72歲的高位截癱患者“意念控制”機(jī)械手臂，完成了握手、飲水、在電腦上打麻將等一系列動作。

此外，腦機(jī)接口還可用于癲癇、抑郁癥、貪食癥等疾病的治療。我們有一個15歲的癲癇患者。治療前，該患者每月會出現(xiàn)4～6次發(fā)作時摔倒的情況，每天右手抽搐4～5次，根本無法正常上學(xué)。我們在患者腦內(nèi)植入深部電刺激器，它可以自動識別癲癇的特征性腦電信號。一旦患者的大腦出現(xiàn)癲癇發(fā)作信號，設(shè)備馬上識別到這一信號，發(fā)出電刺激，把癲癇發(fā)作消滅在萌芽之中。這名患者經(jīng)過3個月的治療，發(fā)作時跌倒的情況完全消失，每天僅有3～4次右手一過性發(fā)麻。現(xiàn)在他又可以與同齡人一樣上學(xué)了，家長非常滿意。

這項技術(shù)的核心是“反應(yīng)性神經(jīng)電刺激”，美國僅有一款設(shè)備獲得FDA批準(zhǔn)，我們團(tuán)隊研發(fā)的這項技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

任重道遠(yuǎn)，但未來可期

問：腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用的難點(diǎn)在哪里？未來的發(fā)展方向是什么？

答：目前，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展面臨不少瓶頸。比如，我們對大腦的功能、工作機(jī)制認(rèn)識不足，這直接影響腦機(jī)接口的研究。再比如，即便是對于采集腦電信號更有優(yōu)勢的植入式電極，其采集范圍也非常有限。目前馬斯克的腦機(jī)接口技術(shù)，也只能采集到幾千個神經(jīng)細(xì)胞的放電信號，相對于人腦內(nèi)的幾百億個神經(jīng)細(xì)胞來說，不過“九牛一毛”。此外，植入式電極的生物相容性差，可能引起排異反應(yīng);如何實現(xiàn)產(chǎn)品化等，都是腦機(jī)接口臨床應(yīng)用面臨的難點(diǎn)。

未來，腦機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)治療、疾病的早期預(yù)警、神經(jīng)功能重建等方面還有很多值得探索的地方。

大腦研究在近些年發(fā)生了翻天覆地的變化。相信隨著人類對腦的認(rèn)識越來越深入，發(fā)揮大腦功能，診治大腦疾病，模擬大腦機(jī)制，將不再是一件高不可攀的事情。