用意念握杯 腦機(jī)接口時(shí)代正在到來

　　中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 楊潔 尹希寧

　　科幻電影里有關(guān)腦機(jī)接口的想象正在照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

　　20多年前，《黑客帝國(guó)》展示這樣一幅場(chǎng)景：人類通過植入后腦的金屬開口連接智能設(shè)備，迅速獲取知識(shí)技能，成為“全能戰(zhàn)士”，也能遁身進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)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(jī)器大腦進(jìn)行“感應(yīng)對(duì)話”的技術(shù)已來到人們身邊。

　　1月29日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)宣布全球首例無線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)成功：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授洪波團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO技術(shù);首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院院長(zhǎng)趙國(guó)光、主任醫(yī)師單永治團(tuán)隊(duì)，與清華大學(xué)在2023年10月24日合作進(jìn)行了首例臨床植入試驗(yàn)。手術(shù)后，一位四肢癱瘓14年的患者在接受居家腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練后，實(shí)現(xiàn)了自主喝水等腦控動(dòng)作。

　　腦機(jī)接口是通過記錄和解讀大腦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大腦和計(jì)算機(jī)之間的直接通信。“要實(shí)現(xiàn)真正的‘讀心術(shù)’還有很長(zhǎng)的路要走。假設(shè)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(jī)接口臨床試驗(yàn)成功示意圖。視覺中國(guó)供圖

　　與馬斯克不同的腦機(jī)接口方案

　　幾乎是同一時(shí)間，美國(guó)特斯拉公司首席執(zhí)行官、太空探索技術(shù)公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克宣布腦機(jī)接口“手術(shù)成功”的新聞也引發(fā)國(guó)內(nèi)外關(guān)注。

　　馬斯克在社交平臺(tái)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(shù)，目前恢復(fù)良好。初步結(jié)果顯示，神經(jīng)元尖峰檢測(cè)很有前景。”馬斯克將第一個(gè)產(chǎn)品命名為“心靈感應(yīng)”，當(dāng)大腦植入設(shè)備后，只需意念就能控制手機(jī)、電腦等“幾乎所有設(shè)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(biāo)。”馬斯克說。

　　“馬斯克團(tuán)隊(duì)是一個(gè)非常令人尊敬的團(tuán)隊(duì)。(中外)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)腦機(jī)接口的技術(shù)路線不一樣。”洪波說。

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

　　大腦的信號(hào)從內(nèi)到外可以分成三個(gè)層次：神經(jīng)細(xì)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(gè)比方：假設(shè)一個(gè)屋子里坐著十個(gè)人，每個(gè)人代表著一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，要接收神經(jīng)細(xì)胞的信息可以通過“麥克風(fēng)”獲取，馬斯克團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品相當(dāng)于在每個(gè)人的面前放置了一個(gè)麥克風(fēng)，“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(fēng)放置在門外，那么接收到的信號(hào)就會(huì)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(dāng)于把麥克風(fēng)貼在門里獲取信息。”洪波說。

　　在宣武醫(yī)院，院長(zhǎng)趙國(guó)光向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者展示了目前市面上幾種主要的腦機(jī)接口產(chǎn)品。其中，“頭皮腦電”為非植入式腦機(jī)接口，臨床優(yōu)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)的損傷，但弊端在于，患者需要長(zhǎng)期在醫(yī)院訓(xùn)練，無法短時(shí)間內(nèi)回歸家庭。

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

　　在手術(shù)臺(tái)上，醫(yī)生只需進(jìn)行“在顱骨中裝入電極”等微創(chuàng)手術(shù)，人腦與電腦“對(duì)話”的基礎(chǔ)性設(shè)備便可完成。

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

　　洪波打了一個(gè)形象的比喻：如果把大腦比作一個(gè)熟雞蛋，剝開雞蛋殼之后，還有一層白色的保護(hù)膜，相當(dāng)于大腦的硬腦膜，可以保護(hù)大腦環(huán)境不受外界干擾，細(xì)胞不受損傷。把電極放在硬腦膜上，將329個(gè)零件放在了硬幣大小的鈦殼之中。兩枚硬幣大小的腦機(jī)接口植入高位截癱患者顱骨中，采集感覺運(yùn)動(dòng)腦區(qū)神經(jīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手部抓握動(dòng)作的解碼。

　　“半侵入式方案置于腦洞之外，不會(huì)對(duì)腦細(xì)胞產(chǎn)生損傷，也不存在感染、免疫排斥等風(fēng)險(xiǎn)。”洪波介紹，相比較而言，馬斯克團(tuán)隊(duì)所采用的全侵入式腦機(jī)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(jìn)行消毒操作。此類臨床試驗(yàn)為了避免感染風(fēng)險(xiǎn)，目前患者需要永久在醫(yī)院進(jìn)行治療和觀察。

　　“從技術(shù)上來講，不同的路徑均可以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的目標(biāo)，但應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)劣勢(shì)不同，并沒有高低之分。”洪波說。

　　實(shí)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(guó)光說，要在人身上裝上腦機(jī)接口，難點(diǎn)在于能采集到信號(hào)，還要讓信號(hào)“解碼”語言、運(yùn)動(dòng)、意識(shí)。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(gè)“成功吃螃蟹的人”。

　　在長(zhǎng)達(dá)14年的時(shí)間里，老楊因?yàn)檐嚨湆?dǎo)致四肢癱瘓，運(yùn)動(dòng)能力完全缺失，手部完全癱瘓。

　　專家評(píng)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(dòng)了一項(xiàng)“腦機(jī)對(duì)話”的新技術(shù)。“老楊希望在新技術(shù)的支持下，恢復(fù)右手的能力，完成喝水、吃飯，甚至寫字等動(dòng)作。”趙國(guó)光說，患者對(duì)恢復(fù)健康的強(qiáng)烈欲望支撐著患者的康復(fù)訓(xùn)練，也推動(dòng)醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)的臨床試驗(yàn)的開展。

　　一只氣動(dòng)手套，套在四肢癱瘓的老楊手上，從大腦右側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)的電極獲取信號(hào)得知，老楊想移動(dòng)右手。電腦“讀懂”老楊的想法后，解碼完成，指令傳達(dá)到氣動(dòng)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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，由洪波團(tuán)隊(duì)完成。

宣武醫(yī)院院長(zhǎng)趙國(guó)光團(tuán)隊(duì)進(jìn)行首例植入手術(shù)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院供圖

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

　　實(shí)際操作時(shí)，洪波和趙國(guó)光團(tuán)隊(duì)首先采用功能磁共振成像技術(shù)，完成運(yùn)動(dòng)感覺腦區(qū)定位，精準(zhǔn)捕捉右手想要運(yùn)動(dòng)時(shí)的大腦激活區(qū)信號(hào)，再根據(jù)捕捉的位置精準(zhǔn)設(shè)計(jì)電極植入的接觸點(diǎn)。一般情況下，人腦“指揮部”能夠直接調(diào)集身體各“連隊(duì)”，而對(duì)脊髓損傷患者來說，“中間的道路阻斷了，‘指揮部’喊出口號(hào)，我們要通過技術(shù)打通阻斷的部分，接上信號(hào)”。

　　趙國(guó)光解釋，從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到臨床，要保證這套系統(tǒng)能采集到信號(hào)，且信號(hào)“漂亮、敏感、無干擾”，才能夠高效地接收并傳達(dá)人腦的指令。

　　洪波介紹，為了保證“腦機(jī)對(duì)話”的私密性，團(tuán)隊(duì)在電源管理中設(shè)置了認(rèn)證芯片，必須體內(nèi)與體外機(jī)完成配對(duì)，才能啟動(dòng)人體內(nèi)的信號(hào)采集系統(tǒng)，保護(hù)患者的隱私安全。植入顱骨的體內(nèi)機(jī)無需電池，患者可以終身使用，手術(shù)10天后可出院回家。

　　在這場(chǎng)“腦機(jī)對(duì)話”中，電腦可以做到立即感應(yīng)。洪波解釋，經(jīng)過測(cè)試，需要250毫秒甚至更短時(shí)間，電腦會(huì)快速“讀懂”患者的想法，判斷是抓握、保持還是松開，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)解讀。在與電腦“對(duì)話”時(shí)，人腦并不需要依靠強(qiáng)大的意念或重復(fù)思考去傳達(dá)信息。

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

　　經(jīng)過三個(gè)月的居家腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練，老楊可以通過腦電活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套，抓握解碼準(zhǔn)確率超過90%。

　　洪波曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開了3年的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。在豬的身上安裝電機(jī)和體內(nèi)機(jī)后，經(jīng)過1000多天測(cè)試，驗(yàn)證儀器對(duì)豬腦膜以下的神經(jīng)組織不會(huì)造成損傷，還可以穩(wěn)定采集豬大腦中傳遞的神經(jīng)信號(hào)。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(jìn)行小規(guī)模的臨床試驗(yàn)。

　　在宣武醫(yī)院的中國(guó)國(guó)際神經(jīng)科學(xué)研究所類腦智能臨床轉(zhuǎn)化研究中心，設(shè)置了脊髓損傷患者的評(píng)定區(qū)域、日常康復(fù)訓(xùn)練區(qū)域、腦機(jī)接口訓(xùn)練區(qū)域等。宣武醫(yī)院副教授王長(zhǎng)明介紹，當(dāng)患者完成評(píng)定后，要在研究中心內(nèi)接受全模塊的訓(xùn)練，即便是回歸家庭后，醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)也會(huì)定期隨訪，進(jìn)一步促進(jìn)患者康復(fù)。

　　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(tuán)隊(duì)手術(shù)下成功植入，信號(hào)接收正常，患者居家康復(fù)訓(xùn)練中。這位36歲的脊椎損傷患者可以在“腦機(jī)對(duì)話”中用“意念”驅(qū)動(dòng)電腦光標(biāo)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)屏幕中紅色球撞擊藍(lán)色球的動(dòng)作，進(jìn)行著人和電腦“心靈感應(yīng)”。

　　“要完成這樣的技術(shù)突破，沒有10年是做不成的。”洪波提到，此項(xiàng)技術(shù)急不來，也急不得。“因?yàn)檫@不是一個(gè)游戲產(chǎn)品，也不是一個(gè)信息產(chǎn)品，而是一個(gè)植入的醫(yī)療器械，患者的安全是第一位的。”他說。

　　翻開腦機(jī)接口的第一頁

　　2005年，雷·庫(kù)茲韋爾在《奇點(diǎn)臨近》一書中預(yù)測(cè)，“隨著納米技術(shù)、生物技術(shù)等呈幾何級(jí)數(shù)加速發(fā)展，未來20年中人類的智能將會(huì)大幅提高，人類的未來也會(huì)發(fā)生根本性重塑。”這位腦洞大開的天才提出了“奇點(diǎn)”的概念，認(rèn)為未來技術(shù)變革會(huì)撕裂人類歷史結(jié)構(gòu)，克服生物進(jìn)化的限制。

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

　　2020年，浙江大學(xué)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作，完成國(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究。患者利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)，精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)握手、拿飲料、打麻將等動(dòng)作。

　　2023年，相對(duì)于侵入式和非侵入式的技術(shù)方案，南開大學(xué)團(tuán)隊(duì)牽頭在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)航工程實(shí)施方案(2023—2035年)》提到：要開展腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化路線圖研究。加快研制腦機(jī)接口術(shù)語、參考架構(gòu)等基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)。開展腦信息讀取與寫入等輸入輸出接口標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式、傳輸、存儲(chǔ)、表示及預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)，腦信息編解碼算法標(biāo)準(zhǔn)研究。開展制造、醫(yī)療健康、教育、娛樂等行業(yè)應(yīng)用以及安全倫理標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研。

　　腦機(jī)接口的時(shí)代正在到來。

　　“不可思議的目標(biāo)會(huì)讓科學(xué)家產(chǎn)生永不停止的動(dòng)力。”洪波認(rèn)為要深入了解人類的大腦工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)人腦和機(jī)器大腦的高帶寬對(duì)話，要做的工作還有很多。

　　腦機(jī)接口的高通量和發(fā)熱問題是需要克服的一大技術(shù)難關(guān)。洪波解釋，目前我們的微創(chuàng)腦機(jī)接口只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的手部動(dòng)作。但未來要獲取更多高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)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(duì)的挑戰(zhàn)。

　　“老楊的右手可以握住水瓶”帶給趙國(guó)光的新思考是，如果用中文“解碼”老楊右手的動(dòng)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(shù)能夠更精準(zhǔn)地適配中文語境，更快地識(shí)別并輸出患者腦中的指令。

　　中國(guó)信息通信研究院聯(lián)合腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟日前發(fā)布的《腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告(2023年)》指出，當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)主要應(yīng)用方向在醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)能為癲病、帕金森、抑郁、多動(dòng)癥、截癱、卒中等神經(jīng)相關(guān)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(jī)接口還面臨著大規(guī)模臨床試驗(yàn)等挑戰(zhàn)。

　　“下一步，我們希望幫助患者用腦信號(hào)指揮家里的智能設(shè)備，比如手機(jī)、輪椅、電動(dòng)窗簾等設(shè)備的開關(guān)，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(gè)期待：希望在春節(jié)后幫助患者實(shí)現(xiàn)翻閱電子書的愿望。

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