用意念握杯 腦機接口時代正在到來

　　中青報·中青網(wǎng)記者 楊潔 尹希寧

　　科幻電影里有關腦機接口的想象正在照進現(xiàn)實。

　　20多年前，《黑客帝國》展示這樣一幅場景：人類通過植入后腦的金屬開口連接智能設備，迅速獲取知識技能，成為“全能戰(zhàn)士”，也能遁身進入網(wǎng)絡世界，在電腦程序模擬的數(shù)字空間中交流生活。如今，人腦與機器大腦進行“感應對話”的技術已來到人們身邊。

　　1月29日，中國科研團隊宣布全球首例無線微創(chuàng)腦機接口臨床試驗成功：清華大學醫(yī)學院教授洪波團隊設計研發(fā)了無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO技術;首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院院長趙國光、主任醫(yī)師單永治團隊，與清華大學在2023年10月24日合作進行了首例臨床植入試驗。手術后，一位四肢癱瘓14年的患者在接受居家腦機接口康復訓練后，實現(xiàn)了自主喝水等腦控動作。

　　腦機接口是通過記錄和解讀大腦信號，實現(xiàn)大腦和計算機之間的直接通信。“要實現(xiàn)真正的‘讀心術’還有很長的路要走。假設這是一本100頁的未知之書，目前我們只是翻開了第一頁。”洪波說。

首例無線微創(chuàng)腦機接口臨床試驗成功示意圖。視覺中國供圖

　　與馬斯克不同的腦機接口方案

　　幾乎是同一時間，美國特斯拉公司首席執(zhí)行官、太空探索技術公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克宣布腦機接口“手術成功”的新聞也引發(fā)國內(nèi)外關注。

　　馬斯克在社交平臺上寫道：“昨天，第一位人類患者接受了來自‘神經(jīng)連接’公司的植入手術，目前恢復良好。初步結(jié)果顯示，神經(jīng)元尖峰檢測很有前景。”馬斯克將第一個產(chǎn)品命名為“心靈感應”，當大腦植入設備后，只需意念就能控制手機、電腦等“幾乎所有設備”。 “想象一下，斯蒂芬·霍金的溝通速度也許能比打字員或拍賣師更快。這就是我們的目標。”馬斯克說。

　　“馬斯克團隊是一個非常令人尊敬的團隊。(中外)兩個團隊研發(fā)腦機接口的技術路線不一樣。”洪波說。

　　據(jù)他介紹，清華團隊所采用的無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO技術，是將電極放在大腦硬膜外，不會破壞神經(jīng)組織，通過體內(nèi)機和體外機耦合完成信號的輸入與輸出。馬斯克團隊采用的是全侵入式腦機接口方式。

　　大腦的信號從內(nèi)到外可以分成三個層次：神經(jīng)細胞放電，顱內(nèi)腦電，借用腦電帽采集到的頭皮外腦電波。洪波打了一個比方：假設一個屋子里坐著十個人，每個人代表著一個神經(jīng)細胞，要接收神經(jīng)細胞的信息可以通過“麥克風”獲取，馬斯克團隊的產(chǎn)品相當于在每個人的面前放置了一個麥克風，“收音”效果好但存在“占地面積”大、耗能高等問題;頭皮腦電的方案，是將麥克風放置在門外，那么接收到的信號就會很模糊，受到很多噪聲干擾。

　　“我們的方案是把電極放在腦膜外部，介于兩種方案之中，相當于把麥克風貼在門里獲取信息。”洪波說。

　　在宣武醫(yī)院，院長趙國光向中青報·中青網(wǎng)記者展示了目前市面上幾種主要的腦機接口產(chǎn)品。其中，“頭皮腦電”為非植入式腦機接口，臨床優(yōu)點是無創(chuàng)，但敏感性和解剖空間定位較弱;“顱內(nèi)皮層電極”將電極置入顱骨下大腦表面，常用于癲癇患者的大腦皮層;“猶他電極陣列”將電極深入腦內(nèi)，主要用于治療語言、運動的損傷，但弊端在于，患者需要長期在醫(yī)院訓練，無法短時間內(nèi)回歸家庭。

　　相較于市面上的主要方案，趙國光表示，目前團隊所采用的無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO在植入上既滿足了技術敏感性，又不對腦組織有損傷，還可以長期放置，其采集到信號的波幅、帶寬、頻率等能夠滿足目前臨床的需求。

　　在手術臺上，醫(yī)生只需進行“在顱骨中裝入電極”等微創(chuàng)手術，人腦與電腦“對話”的基礎性設備便可完成。

無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO系統(tǒng)及其體內(nèi)機(合成圖片)。清華大學醫(yī)學院供圖

　　洪波打了一個形象的比喻：如果把大腦比作一個熟雞蛋，剝開雞蛋殼之后，還有一層白色的保護膜，相當于大腦的硬腦膜，可以保護大腦環(huán)境不受外界干擾，細胞不受損傷。把電極放在硬腦膜上，將329個零件放在了硬幣大小的鈦殼之中。兩枚硬幣大小的腦機接口植入高位截癱患者顱骨中，采集感覺運動腦區(qū)神經(jīng)信號，實現(xiàn)手部抓握動作的解碼。

　　“半侵入式方案置于腦洞之外，不會對腦細胞產(chǎn)生損傷，也不存在感染、免疫排斥等風險。”洪波介紹，相比較而言，馬斯克團隊所采用的全侵入式腦機接口，在接入大腦皮層后，每一次使用需要接上數(shù)據(jù)插頭，進行消毒操作。此類臨床試驗為了避免感染風險，目前患者需要永久在醫(yī)院進行治療和觀察。

　　“從技術上來講，不同的路徑均可以實現(xiàn)腦機接口的目標，但應用場景和優(yōu)劣勢不同，并沒有高低之分。”洪波說。

　　實現(xiàn)自主喝水的14年癱瘓者

　　“我們挑戰(zhàn)的不是一般疾病，是人類目前沒有解決方案的部分疾病。”趙國光說，要在人身上裝上腦機接口，難點在于能采集到信號，還要讓信號“解碼”語言、運動、意識。他說：“這是挑戰(zhàn)不可能”。

　　從某種程度上說，54歲的四肢癱瘓患者老楊是第一個“成功吃螃蟹的人”。

　　在長達14年的時間里，老楊因為車禍導致四肢癱瘓，運動能力完全缺失，手部完全癱瘓。

　　專家評估了老楊的病因及診斷情況，在征求家屬和老楊的同意下，啟動了一項“腦機對話”的新技術。“老楊希望在新技術的支持下，恢復右手的能力，完成喝水、吃飯，甚至寫字等動作。”趙國光說，患者對恢復健康的強烈欲望支撐著患者的康復訓練，也推動醫(yī)護團隊的臨床試驗的開展。

　　一只氣動手套，套在四肢癱瘓的老楊手上，從大腦右側(cè)感覺運動區(qū)的電極獲取信號得知，老楊想移動右手。電腦“讀懂”老楊的想法后，解碼完成，指令傳達到氣動手套，協(xié)助老楊右手手指協(xié)同彎曲，抓住了礦泉水瓶。解碼算法采用了可解釋的機器學習技術，由洪波團隊完成。

宣武醫(yī)院院長趙國光團隊進行首例植入手術。清華大學醫(yī)學院供圖

　　在這一場“無聲”的腦機對話里，老楊的顱骨內(nèi)埋有體內(nèi)機，電極覆蓋在硬膜外。體外機隔著頭皮給體內(nèi)機供電，并接收腦內(nèi)的神經(jīng)信號，傳送到電腦或者手機上，借助解碼算法實現(xiàn)腦機接口通信。

　　實際操作時，洪波和趙國光團隊首先采用功能磁共振成像技術，完成運動感覺腦區(qū)定位，精準捕捉右手想要運動時的大腦激活區(qū)信號，再根據(jù)捕捉的位置精準設計電極植入的接觸點。一般情況下，人腦“指揮部”能夠直接調(diào)集身體各“連隊”，而對脊髓損傷患者來說，“中間的道路阻斷了，‘指揮部’喊出口號，我們要通過技術打通阻斷的部分，接上信號”。

　　趙國光解釋，從動物實驗到臨床，要保證這套系統(tǒng)能采集到信號，且信號“漂亮、敏感、無干擾”，才能夠高效地接收并傳達人腦的指令。

　　洪波介紹，為了保證“腦機對話”的私密性，團隊在電源管理中設置了認證芯片，必須體內(nèi)與體外機完成配對，才能啟動人體內(nèi)的信號采集系統(tǒng)，保護患者的隱私安全。植入顱骨的體內(nèi)機無需電池，患者可以終身使用，手術10天后可出院回家。

　　在這場“腦機對話”中，電腦可以做到立即感應。洪波解釋，經(jīng)過測試，需要250毫秒甚至更短時間，電腦會快速“讀懂”患者的想法，判斷是抓握、保持還是松開，實現(xiàn)精準解讀。在與電腦“對話”時，人腦并不需要依靠強大的意念或重復思考去傳達信息。

　　“如今，自主喝橙汁、喝茶對老楊來說已經(jīng)是一件很輕松的事情。”洪波說，在長達14年的時間里，患者都無法自行喝水吃飯，“這對他來說，是一個質(zhì)的變化。”

　　經(jīng)過三個月的居家腦機接口康復訓練，老楊可以通過腦電活動驅(qū)動氣動手套，抓握解碼準確率超過90%。

　　洪波曾帶領團隊展開了3年的動物實驗。在豬的身上安裝電機和體內(nèi)機后，經(jīng)過1000多天測試，驗證儀器對豬腦膜以下的神經(jīng)組織不會造成損傷，還可以穩(wěn)定采集豬大腦中傳遞的神經(jīng)信號。直到2023年5月在宣武醫(yī)院通過倫理審查，并在藥監(jiān)局備案，他們才開始在人體上進行小規(guī)模的臨床試驗。

　　在宣武醫(yī)院的中國國際神經(jīng)科學研究所類腦智能臨床轉(zhuǎn)化研究中心，設置了脊髓損傷患者的評定區(qū)域、日常康復訓練區(qū)域、腦機接口訓練區(qū)域等。宣武醫(yī)院副教授王長明介紹，當患者完成評定后，要在研究中心內(nèi)接受全模塊的訓練，即便是回歸家庭后，醫(yī)護團隊也會定期隨訪，進一步促進患者康復。

　　2023年12月19日，第二例脊髓損傷患者已在天壇醫(yī)院賈旺教授團隊手術下成功植入，信號接收正常，患者居家康復訓練中。這位36歲的脊椎損傷患者可以在“腦機對話”中用“意念”驅(qū)動電腦光標的移動，實現(xiàn)屏幕中紅色球撞擊藍色球的動作，進行著人和電腦“心靈感應”。

　　“要完成這樣的技術突破，沒有10年是做不成的。”洪波提到，此項技術急不來，也急不得。“因為這不是一個游戲產(chǎn)品，也不是一個信息產(chǎn)品，而是一個植入的醫(yī)療器械，患者的安全是第一位的。”他說。

　　翻開腦機接口的第一頁

　　2005年，雷·庫茲韋爾在《奇點臨近》一書中預測，“隨著納米技術、生物技術等呈幾何級數(shù)加速發(fā)展，未來20年中人類的智能將會大幅提高，人類的未來也會發(fā)生根本性重塑。”這位腦洞大開的天才提出了“奇點”的概念，認為未來技術變革會撕裂人類歷史結(jié)構，克服生物進化的限制。

　　讓人類走向數(shù)字永生是一個大膽而瘋狂的夢想，技術上的探索也未停下腳步。

　　2020年，浙江大學與浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作，完成國內(nèi)第一例植入式腦機接口臨床研究?；颊呃么竽X運動皮層信號，精準控制外部機械臂與機械手實現(xiàn)三維空間的運動，實現(xiàn)握手、拿飲料、打麻將等動作。

　　2023年，相對于侵入式和非侵入式的技術方案，南開大學團隊牽頭在猴腦內(nèi)實現(xiàn)了介入式腦機接口腦控機械臂，為未來腦卒中、漸凍癥和抑郁癥等疾病的診療提供了新的方向。

　　2023年8月，工業(yè)和信息化部等四部門印發(fā)的《新產(chǎn)業(yè)標準化領航工程實施方案(2023—2035年)》提到：要開展腦機接口標準化路線圖研究。加快研制腦機接口術語、參考架構等基礎共性標準。開展腦信息讀取與寫入等輸入輸出接口標準，數(shù)據(jù)格式、傳輸、存儲、表示及預處理標準，腦信息編解碼算法標準研究。開展制造、醫(yī)療健康、教育、娛樂等行業(yè)應用以及安全倫理標準預研。

　　腦機接口的時代正在到來。

　　“不可思議的目標會讓科學家產(chǎn)生永不停止的動力。”洪波認為要深入了解人類的大腦工作機理，實現(xiàn)人腦和機器大腦的高帶寬對話，要做的工作還有很多。

　　腦機接口的高通量和發(fā)熱問題是需要克服的一大技術難關。洪波解釋，目前我們的微創(chuàng)腦機接口只能實現(xiàn)簡單的手部動作。但未來要獲取更多高級認知活動信息，必然要增加通道數(shù)，那么攻克發(fā)熱問題，處理安全性和穩(wěn)定性之間的平衡，是工程師需要面對的挑戰(zhàn)。

　　“老楊的右手可以握住水瓶”帶給趙國光的新思考是，如果用中文“解碼”老楊右手的動作，可以解釋為“攥”“握”“拿”“捏”“持”等，而用英文解碼只能解釋為“hold”。他希望，在未來的探索中，新技術能夠更精準地適配中文語境，更快地識別并輸出患者腦中的指令。

　　中國信息通信研究院聯(lián)合腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟日前發(fā)布的《腦機接口技術發(fā)展與應用研究報告(2023年)》指出，當前腦機接口技術主要應用方向在醫(yī)療領域，該技術能為癲病、帕金森、抑郁、多動癥、截癱、卒中等神經(jīng)相關疾病診治帶來新的解決方案。

　　未來，要突破人類診治部分疾病的極限，腦機接口還面臨著大規(guī)模臨床試驗等挑戰(zhàn)。

　　“下一步，我們希望幫助患者用腦信號指揮家里的智能設備，比如手機、輪椅、電動窗簾等設備的開關，為人和物的連接提供更多的可能。”洪波說。

　　臨近春節(jié)，洪波幫助第二位患者在平板電腦里下載了讀書軟件。他有一個期待：希望在春節(jié)后幫助患者實現(xiàn)翻閱電子書的愿望。

　　“腦機接口的階段性突破不是一個結(jié)束，而是一個新的開始。”洪波說。