腦機(jī)接口，正加速“接入”健康

　　腦機(jī)接口的技術(shù)爆發(fā)期正在到來。

　　前不久，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院教授趙國光團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授洪波團(tuán)隊(duì)共同宣布，全球首例植入式硬膜外電極腦機(jī)接口輔助治療頸髓損傷引起的四肢截癱患者行為能力取得突破性進(jìn)展，患者通過大腦硬膜外芯片植入實(shí)現(xiàn)自主腦控喝水。

　　去年5月，全球首例非人靈長類動物介入式腦機(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，對推動腦科學(xué)領(lǐng)域研究具有重要意義，標(biāo)志著我國腦機(jī)接口技術(shù)躋身國際領(lǐng)先行列。

　　腦機(jī)接口技術(shù)并非一項(xiàng)新技術(shù)。1973年，美國加州大學(xué)雅克·維達(dá)爾發(fā)表的一篇文章中首次提出“腦機(jī)接口(BCI)”概念，距今已走過50多年。醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域，則是腦機(jī)接口技術(shù)最大的應(yīng)用市場之一，因?yàn)槟X機(jī)接口技術(shù)開啟了一條非常規(guī)大腦信息輸出通路，幫助運(yùn)動功能障礙患者，如腦卒中、漸凍癥等與外部設(shè)備交互，從而提升生活質(zhì)量。

　　未來，利用腦機(jī)接口技術(shù)還能獲取大腦功能區(qū)的信息并進(jìn)行分析，這些都將有助于神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病診斷、篩查、監(jiān)護(hù)、治療與康復(fù)等工作……

　　1、大腦和機(jī)器連接，記錄、解碼、控制、反饋

　　腦機(jī)接口，是指在人或動物與外部設(shè)備間創(chuàng)建的直接連接通路，它不依賴于腦的正常輸出通路，即我們的外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織，是腦-機(jī)的一種全新的通信和控制技術(shù)。據(jù)中國科學(xué)院院士、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師趙繼宗介紹，腦機(jī)接口最早要追溯到1924年，當(dāng)時的德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格發(fā)現(xiàn)了人類腦電，這實(shí)際上就是目前腦機(jī)接口的基礎(chǔ)。1969年，德裔美國神經(jīng)學(xué)家埃伯哈德·費(fèi)茲用猴子進(jìn)行了腦機(jī)接口的動物實(shí)驗(yàn)，此后科學(xué)家嘗試通過解碼大腦電信號準(zhǔn)確控制外部設(shè)備，腦機(jī)接口邁入科學(xué)論證階段。

　　基本上所有的腦機(jī)接口系統(tǒng)都包含記錄、解碼、控制和反饋四個階段。

　　“記錄”是腦機(jī)接口的第一階段。

　　“想要理解腦機(jī)接口的原理，我們首先要明確，人類的所有思維、行為、意識歸根到底都是腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的電活動，我們試著記錄單個神經(jīng)細(xì)胞動作電位的發(fā)放特點(diǎn)，或者收集多個腦區(qū)域的群體神經(jīng)細(xì)胞的活動特點(diǎn)，來理解不同腦區(qū)域在不同思維或行為下的電活動。”北京腦科學(xué)與類腦研究所聯(lián)合所長羅敏敏介紹，任何可以體現(xiàn)腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞活動的方法，都可以包括在記錄這個第一階段。

　　“腦機(jī)接口的第二階段是解碼。就是根據(jù)你記錄到的神經(jīng)細(xì)胞電活動來試著理解這些活動到底對應(yīng)著什么事情，比如通過記錄到的電信號反推一個人的手是想往前動還是往后動。”羅敏敏說。

　　當(dāng)解碼成功后，就來到了第三階段——控制。

　　“比如控制一個機(jī)械手的過程，就是記錄思維變化引起的神經(jīng)細(xì)胞電活動，解碼后把信息傳輸給機(jī)械手并控制其運(yùn)動。”羅敏敏告訴記者，第四個階段就到了反饋，包括人看到機(jī)械臂動了的視覺反饋，用多大勁兒才能不捏碎杯子的觸覺反饋等。

　　腦機(jī)接口，大腦和機(jī)器的連接方式是關(guān)鍵。

　　據(jù)介紹，目前腦機(jī)接口的連接方式主要是侵入式和非侵入式。侵入式腦機(jī)接口就是通過開顱手術(shù)的方式將能夠接收信號的電極植入腦中，但電極長期放在腦子里，旁邊會出現(xiàn)炎癥，信號也會越來越差。而非侵入式腦機(jī)接口就是戴著一個腦電帽，腦電帽里面有大量的信號采集器，并不傷害大腦，但獲取的腦電信號容易受到外界干擾。

　　2、自誕生以來，就與醫(yī)療健康領(lǐng)域緊密結(jié)合

　　“1978年，美國的威廉·多貝爾為一個盲人的視覺皮層植入了68個電極的陣列，成功制造了光幻視。1998年，埃默里大學(xué)的神經(jīng)外科醫(yī)生菲利普·肯尼迪和羅伊·巴凱為病人植入運(yùn)動神經(jīng)假體，實(shí)現(xiàn)了病人對電腦光標(biāo)的控制。同年，布朗大學(xué)約翰·多諾霍團(tuán)隊(duì)通過腦部手術(shù)把電極直接插在皮層，和主機(jī)連接，使人腦能對其他設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。”趙繼宗介紹。

　　21世紀(jì)以來，腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域不斷取得成果——2012年在巴西世界杯上，截肢殘疾者憑借腦機(jī)接口和機(jī)械外骨骼為第一場比賽開球;2016年，我國神舟十一號飛船上進(jìn)行了太空腦-機(jī)交互實(shí)驗(yàn);2020年，美國研究人員通過腦機(jī)接口使一位28歲的截癱病人不僅恢復(fù)了手的運(yùn)動，還恢復(fù)了手的觸覺……

　　“目前腦機(jī)接口技術(shù)在臨床的應(yīng)用，可以概括為以腦功能評估為目的的腦機(jī)交互檢測，以解碼交流與設(shè)備控制為目的的腦機(jī)接口應(yīng)用，以功能重塑康復(fù)為目的的腦機(jī)訓(xùn)練反饋，以及以腦網(wǎng)絡(luò)環(huán)路干預(yù)為目的的腦機(jī)融合神經(jīng)調(diào)控等4個方面。”首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院意識障礙外科主任醫(yī)師、腦機(jī)接口轉(zhuǎn)化研究中心執(zhí)行副主任楊藝介紹。但腦機(jī)接口在研究探索和臨床應(yīng)用之間還存在著很大的鴻溝，需要臨床醫(yī)生付諸努力。

　　在肢體癱瘓臨床治療方面，“2020年1月，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院教授張建民團(tuán)隊(duì)通過手術(shù)，給一位72歲的高位截癱病人腦中植入電極，完成了控制機(jī)械臂和機(jī)械手等動作，這與國際上的腦機(jī)接口技術(shù)是同步的。”趙繼宗介紹，目前首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院主任醫(yī)師韓小弟團(tuán)隊(duì)正與北京大學(xué)教授李志宏合作，希望將腦機(jī)接口和脊髓電刺激相結(jié)合，幫助四肢癱病人完成行走動作。首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院教授賈旺團(tuán)隊(duì)與洪波團(tuán)隊(duì)合作的微創(chuàng)無線腦機(jī)接口成功植入和首次意念控制光標(biāo)，有望為高位截癱、肌萎縮側(cè)索硬化等神經(jīng)功能障礙患者提供全新的康復(fù)治療方向，幫助患者恢復(fù)生理功能。

　　在意識障礙治療方面，楊藝告訴記者，目前已運(yùn)用多模態(tài)檢測、神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了意識評估、意識改善和意識的輸出。

　　在意念打字方面，腦機(jī)接口可以幫助中風(fēng)、肌萎縮側(cè)索硬化癥等失語病人進(jìn)行表達(dá)。2019年，清華大學(xué)高小榕教授團(tuán)隊(duì)協(xié)助患病12年的漸凍人借助腦機(jī)接口打字系統(tǒng)，用意念控制機(jī)器打出現(xiàn)代詩句。“首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院教授王伊龍團(tuán)隊(duì)針對漢字的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)書寫運(yùn)動軌跡解碼技術(shù)，為漢字的意念性打字提供基礎(chǔ)。”趙繼宗說。

　　在功能性腦疾病治療方面，腦深部電刺激術(shù)(DBS)作為一種基于腦機(jī)接口的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，是國際公認(rèn)的帕金森病中晚期治療的有效療法，在全國都有廣泛的應(yīng)用。2022年3月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院教授趙國光、單永治團(tuán)隊(duì)成功為一例難治性癲癇患者施行閉環(huán)反應(yīng)性神經(jīng)刺激系統(tǒng)注冊試驗(yàn)植入手術(shù)，閉環(huán)反應(yīng)性神經(jīng)刺激系統(tǒng)是腦機(jī)接口在臨床領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

　　此外，2020年腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)室落戶上海華山醫(yī)院，探索運(yùn)用腦機(jī)接口技術(shù)對睡眠障礙病人進(jìn)行治療。同年，瑞金醫(yī)院成立腦機(jī)接口及神經(jīng)調(diào)控中心，開展腦機(jī)接口技術(shù)與抑郁治療的研究。

　　3、大規(guī)模記錄和準(zhǔn)確解碼編碼任重道遠(yuǎn)

　　雖然應(yīng)用前景良好，但目前腦機(jī)接口還沒有形成大眾化、市場化的產(chǎn)品，更多停留在臨床試驗(yàn)階段。

　　腦機(jī)接口技術(shù)需要多個領(lǐng)域的技術(shù)突破。“這是一個典型的‘木桶理論’，腦機(jī)接口的任何一項(xiàng)相關(guān)技術(shù)被卡住了，整個產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中就會碰到困難，這就要求腦科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)與新型電極、芯片相關(guān)的工程學(xué)的共同進(jìn)步。”羅敏敏說。

　　這首先需要進(jìn)一步加深對大腦的認(rèn)識。“大腦有800到1000億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元又與上萬個其他神經(jīng)元連接，我們對大腦的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”趙繼宗說。

　　與此相對的是，目前腦機(jī)接口的通信速率仍然較低。“現(xiàn)在最頂尖的電生理技術(shù)一次可以記錄1000個神經(jīng)元，我們記錄的神經(jīng)元活動仍然是微乎其微的。”羅敏敏介紹，“人腦有意識的信息處理量是每秒50個bit，現(xiàn)在最好的腦機(jī)接口信息處理量也就6到7個bit，這是2的40多次方的差距。”

　　侵入式腦機(jī)接口對大腦的損傷也不容忽視。

　　“植入電極需要開顱手術(shù)，電極在腦中時間長了有感染風(fēng)險，電極周圍形成的神經(jīng)膠質(zhì)疤痕組織也會使信號逐漸衰減。”趙繼宗說。有鑒于此，當(dāng)前國內(nèi)外對微創(chuàng)、無創(chuàng)腦機(jī)接口的研發(fā)正在進(jìn)行中，“2019年國外研究人員利用手術(shù)機(jī)器人給豬植入腦控芯片，28平方毫米腦部植入96根直徑4～6微米的‘線’，含有3072個電極，直接通過USB-C接口讀取大腦信號控制機(jī)器，對大腦損傷更小，傳輸數(shù)據(jù)更多。2022年，洪波團(tuán)隊(duì)與解放軍總院神經(jīng)外科合作，只用3個顱內(nèi)電極實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)植入腦機(jī)接口打字。2022年，賈旺團(tuán)隊(duì)對植入的微電極進(jìn)行研究，開發(fā)出了一種柔性微陣列電極，為將來腦機(jī)接口植入電極開辟了新的途徑。”

　　必須考慮的是，腦機(jī)接口的安全性和倫理性問題。如果探測到一些人腦中有對社會有威脅的想法，是否應(yīng)該采取相應(yīng)措施等。實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口應(yīng)用的過程中，對腦活動數(shù)據(jù)進(jìn)行有效安全的管理并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范同樣是未來的研究方向。

　　“解決上述問題需要醫(yī)師、科學(xué)家、工程師、倫理學(xué)家、政府監(jiān)督機(jī)構(gòu)和患者權(quán)益團(tuán)體密切合作，共同推進(jìn)腦機(jī)接口的健康快速發(fā)展。”趙繼宗說。

　　我國對腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展也非常重視。2021年，科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目——腦科學(xué)與類腦研究正式啟動。2023年2月，中國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，旨在發(fā)揮政產(chǎn)學(xué)研用橋梁紐帶作用，為我國腦機(jī)接口、腦機(jī)交互、腦機(jī)智能領(lǐng)域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強(qiáng)跨領(lǐng)域與行業(yè)交流，推動技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用探索。

　　人們更期待的是，腦機(jī)接口能否像科幻作品里那樣，將意識轉(zhuǎn)移或上傳?或者提取記憶、共享記憶?“隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些情況都是有可能發(fā)生的。”羅敏敏說，人的意識歸根到底是一種神經(jīng)計算，那么意識轉(zhuǎn)移某種意義上也是信息流的交換，需要將以碳和氮為主的生物計算轉(zhuǎn)化為以硅為主的數(shù)字化、電子化計算。“如果將來真的可以理解行為和意識的神經(jīng)計算原理，以及神經(jīng)細(xì)胞的電活動特點(diǎn)、編解碼特點(diǎn)，那么這種依托于腦機(jī)接口技術(shù)的意識存儲、意識轉(zhuǎn)移是可以實(shí)現(xiàn)的。”

　　“當(dāng)然，目前腦科學(xué)對人的大腦的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到這一步。大規(guī)模地記錄神經(jīng)元活動，盡可能準(zhǔn)確地把人的行為和思維進(jìn)行解碼和編碼，是一項(xiàng)長期任務(wù)。”羅敏敏說。

（責(zé)任編輯：華康）