腦機接口，沖破牢籠的曙光？

陶愷

2021年5月20日，美國匹茲堡大學(xué)，癱瘓人士參與腦機接口技術(shù)應(yīng)用研究項目

想象這樣一種未來：無需動身，通過一根線纜連接大腦，就能肆意地在數(shù)字世界里遨游；不必真的做出動作，只在大腦中“想一想”，就能指揮機械臂控制物體；甚至，對于因疾病失去光明、無法行走的視力、肢體殘障人士來說，還有機會重見光明、重新行走……

這個“未來”正隨著科技的進步逐漸靠近我們的生活，這項被稱作“腦機接口”的技術(shù)，正讓上述這些不可思議慢慢變成可以期待的現(xiàn)實。

今年，對腦機接口的研究、實踐頻頻傳來好消息。5月初，我國科學(xué)家在南開大學(xué)教授段峰團隊的帶領(lǐng)下，成功實現(xiàn)了全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗，實現(xiàn)了動物對機械臂的主動控制；25日，埃隆·馬斯克旗下的腦機接口公司Neuralink在社交網(wǎng)站上發(fā)布帖文，表示已經(jīng)獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局的批準，可以進行人體實驗了。

對腦機接口的深入探尋，對“科技改變命運”的追索，正在讓諸多“魔幻”成為可能。

“腦”“機”接口

腦機接口，顧名思義，是人或動物的大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，與計算機等電子設(shè)備之間，用電路、硅芯片或其他外部設(shè)備作為“接口”，對大腦信息進行輸出、執(zhí)行。

人的大腦結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。除了我們能夠摸得到的頭發(fā)、頭皮和存在感很強的顱骨之外，還有硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、軟腦膜這樣的薄膜組織以及最重要的大腦皮質(zhì)層，它們被分為多個區(qū)域，有的負責(zé)處理運動，有的負責(zé)處理聽覺、視覺，有的負責(zé)處理感官，有的負責(zé)語言、思考……腦機接口技術(shù)，便是通過獲取這些不同區(qū)域大腦皮質(zhì)層發(fā)出的信號，對其進行科學(xué)處理后實現(xiàn)的。

我國科學(xué)家成功實現(xiàn)了全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗

一只猴子用大腦控制在1分鐘內(nèi)打出了12個單詞—“To be or not to be，that is the question”

一般情況下，腦機接口技術(shù)首先通過信號采集設(shè)備將大腦皮層中的信號放大、轉(zhuǎn)化，收集盡可能多的、有用的信息，再進一步進行信息分析，處理信號中出現(xiàn)的干擾。比如采集環(huán)境中的電磁干擾、被采集者的眼動偽跡等等。最后，將分析后的信息進行再編碼，“翻譯”成計算機或其他外部設(shè)備能夠讀取的語言。

例如，如果想要通過腦機接口控制機械臂為自己“隔空取物”，在采集信息、處理信號之后，就要將其編碼為機械臂的運動程序，這樣，機械臂才能既識別、執(zhí)行人類大腦中的“拿起”信號，又可以準確進行移動、用合適的力度“拿捏”物品，完成“心手合一”的理想狀態(tài)。

實現(xiàn)腦機接口的完美操作，信號采集的準確與否是成功的基石。不過，和科幻電影中展現(xiàn)的“腦后微創(chuàng)植入芯片”的平靜場景不同，真實世界的腦機接口有非侵入式、侵入式和半侵入式三種方式，它們有各自的優(yōu)點和短板。

非侵入式只需要“戴個帽子”就好，可以避免對被采集者肉身造成的傷害，但因為隔著顱骨，這頂“帽子”能夠接收和記錄到的信號強度、分辨率都不算太高，有時甚至無法確定是哪塊區(qū)域在“放電”。此外，這對被采集者的專注、思考的方式也提出了很多要求，需要進行大量額外的專業(yè)訓(xùn)練。

侵入式則是進行一場并不平靜的“開顱手術(shù)”，將電極直接植入大腦皮質(zhì)層，如此能夠一步到位獲得高質(zhì)量的信號，但也會對被采集者造成諸多難以預(yù)估的傷害。

半侵入式則取上述二者的“中間態(tài)”，將接口植入顱腔與大腦皮質(zhì)層之間，信號比非侵入式好一些、傷害又較侵入式淺一些。

尋找“微創(chuàng)”

不要小看這些進退兩難的技術(shù)拉扯。自1924年，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現(xiàn)了腦電波的存在，進而發(fā)覺腦中的“意識”可以轉(zhuǎn)化為電子信號、被外部設(shè)備讀取之后，腦機接口技術(shù)從猴子實驗開始，不斷突破人們對這項技術(shù)的想象。

1969年，研究員將猴子大腦中的神經(jīng)元與一個儀表盤連接，如果猴子能用“思考”的方式讓儀表盤指針隔空轉(zhuǎn)動，它就可以得到食物獎勵—在獎勵之下，這只猴子學(xué)會了如何控制神經(jīng)元“發(fā)作”，進而轉(zhuǎn)動儀表盤指針，這讓人們對腦機接口的想象有了靈長類動物的實驗依據(jù)。

到了2016年9月，斯坦福大學(xué)神經(jīng)修復(fù)植入體實驗室的研究員們?yōu)閮芍缓镒又踩肽X機接口，通過訓(xùn)練，其中一只猴子用大腦控制在1分鐘內(nèi)打出了12個單詞—“To be or not to be，that is the question”，科幻敘事感十足。今年，中國科學(xué)家的突破又讓猴子可以通過腦機接口自主控制機械臂。

除了從簡單的轉(zhuǎn)動到能夠“說話”和“行動”的進步，各國研究者也在盡力破解腦機接口采集信息過程中的“進退兩難”：如何盡可能微創(chuàng)地獲取更多的精確信息。

馬斯克的腦機接口公司Neuralink發(fā)布最新猴腦芯片的實驗視頻

腦機接口的每一次進步，意味著許多困于肉身疾病桎梏的人新增一絲希望。

2019年7月，馬斯克曾召開發(fā)布會，宣布自己的腦機接口公司Neuralink找到了更高效、微創(chuàng)的接口方法：用一臺神經(jīng)手術(shù)機器人在28平方毫米的腦部面積上植入96根4-6微米的細線—雖然單位是微米，但這96根細線共有3072個電極。植入后，通過USB—C接口，就能輕松讀取收集到的大腦信號。與此前的侵入式、半侵入式相比，這項技術(shù)對大腦的損害更小，一次性能夠傳輸?shù)木珳蕯?shù)據(jù)也更多。

5月初中國科學(xué)家完成的試驗中，更是通過介入手術(shù)的方式，將介入腦電傳感器貼附在猴子的腦血管壁上。這樣，無需進行開顱手術(shù)，便能夠精準采集到顱內(nèi)腦電信號，較2019年馬斯克公司植入多根細線的方式也更為便捷，對介入式腦機接口從實驗室向臨床應(yīng)用邁出了重要的一步。

超越肉身

如此頗費周章地為盡可能的微創(chuàng)想盡辦法，如此真摯地為“批準人體實驗”感到欣喜，是因為腦機接口聽來炫酷，看起來屬于科幻與未來，但回歸技術(shù)的本質(zhì)，腦機接口的每一次進步，意味著許多困于肉身疾病桎梏的人新增一絲希望。

1978年，視覺腦機接口為一名盲人在視覺皮層植入68個電極，通過連接一臺采集視頻的攝像機及配套信號處理裝置，他能夠在一小塊視野內(nèi)看到低分辨率、低刷新率的點陣圖像。雖然彼時開顱手術(shù)風(fēng)險極高、“看到”的影像視野、真度都有限，但無論如何，腦機接口為盲人黑暗的生活帶來了光明。

2016年10月8日，世界第一屆Cybathlon半機械人運動會在瑞士蘇黎世舉行

2005年，運動皮層腦機接口用侵入式的方式為一名四肢癱瘓的患者在運動皮層對應(yīng)手臂、手掌的區(qū)域植入96個電極，他可以通過“想一想”的方式完成操縱電腦光標等活動。

在本來需要健全體魄的運動競技場上，腦機接口也在逐漸實現(xiàn)肢體殘障人士運動、奔跑的愿望。

2012年，巴西世界杯上，身著“機器戰(zhàn)甲”的截肢殘障人士，用腦機接口配合機械外骨骼踢出第一球；2016年，世界第一屆Cybathlon半機械人運動會舉行，殘疾人運動員通過腦機接口技術(shù)完成動力假肢競賽、外骨骼驅(qū)動競賽、腦機交互競賽等比賽；同年10月，一名癱瘓人士利用腦機接口操縱機械手臂與時任美國總統(tǒng)奧巴馬進行了“握手”—癱瘓的病人首次借助腦機接口恢復(fù)了知覺。

今年，在馬斯克的腦機接口公司獲得人體實驗資格前，一家總部位于猶他州鹽湖城的腦機接口公司通過招募志愿者的方式獲得了50名有肢體損傷、神經(jīng)損傷的患者。其中，一名20年前不幸遭遇車禍、嚴重脊柱損傷的患者不僅通過腦接口技術(shù)完成了控制機械臂的動作，還在植入物的引導(dǎo)下實現(xiàn)了“通過皮質(zhì)內(nèi)微刺激的感覺反饋”。

植入腦芯片、穿戴“機器戰(zhàn)甲”的時候，這些被殘破肉身困住的人，終于有機會借助科技的力量沖破無形束縛著自己的牢籠。

除了替肢體殘缺者“插上翅膀”，腦機接口也可以用于治療那些看不見摸不著的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，比如癲癇、抑郁癥甚至帕金森病。以植入芯片、電極的方式，刺激調(diào)節(jié)大腦的特定區(qū)域?qū)颊叩陌Y狀進行改善。今年3月，我國福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院為一名35歲的癲癇患者完成了一例基于腦機接口的“閉環(huán)自響應(yīng)神經(jīng)刺激系統(tǒng)植入手術(shù)”。通過后續(xù)治療及訓(xùn)練，這名患者將有可能徹底告別癲癇對自己人生的纏繞，擁有普通而正常的生活。

面對未知的疾病、精細繁雜的人體結(jié)構(gòu)、不可預(yù)測的未來，人類的肉身終究是脆弱的。但包括腦機接口技術(shù)在內(nèi)的科技，正在世界各國研究者的努力下踽踽前行，用知識與智慧做一件應(yīng)付龐雜情況的“戰(zhàn)甲”，讓渺小的肉身能有尊嚴、有質(zhì)量地走向光明的未來。

特約編輯姜雯 jw@nfcmag.com