2022年11月12日，“科普中國(guó)-我是科學(xué)家”第42期“未來(lái)進(jìn)行時(shí)”現(xiàn)場(chǎng)，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師，深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院研究員李驍健帶來(lái)演講《修一座從腦到四肢的橋》。
李驍健演講視頻：
以下為李驍健演講實(shí)錄：
大家好，我研究的領(lǐng)域是高性能腦機(jī)接口和類腦工程，今天非常高興有機(jī)會(huì)能參加“科普中國(guó)-我是科學(xué)家”欄目，給大家介紹腦機(jī)接口。
大家在現(xiàn)實(shí)中很難接觸到腦機(jī)接口，為了給大家一個(gè)比較清晰的感性認(rèn)識(shí)，我們先從科幻電影來(lái)講。
在電影《阿凡達(dá)》中，潘多拉基地給一位殘疾的美國(guó)士兵培養(yǎng)了一個(gè)人造人，當(dāng)這個(gè)士兵進(jìn)入睡眠艙，將自己的意識(shí)傳遞給這個(gè)人造人時(shí)，這個(gè)人造人就能被這個(gè)士兵的意識(shí)所控制了，這叫意識(shí)替換。
意識(shí)替換 | 《阿凡達(dá)》劇照
同樣在《阿凡達(dá)》中，人造人騎著當(dāng)?shù)嘏硕嗬堑娘w龍，二者通過(guò)“辮子”聯(lián)系在一起，人造人通過(guò)意念來(lái)控制這個(gè)飛龍，這叫做意識(shí)對(duì)接。對(duì)于人類目前的技術(shù)而言，我們還搞不清楚意識(shí)替換該怎么弄，不過(guò)意識(shí)對(duì)接看起來(lái)較為合理，可惜的是地球上的生物缺乏能夠“對(duì)接”的器官。也就是說(shuō)，目前這兩種情況是完全科幻的，離我們的生活很遠(yuǎn)的。
意識(shí)對(duì)接 | 《阿凡達(dá)》劇照
而在電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，大夫把人體的腦神經(jīng)和機(jī)器嫁接在了一起。這種對(duì)接方式在生理角度上而言較為可行，像我一樣研究腦機(jī)接口的很多科研工作者，就在努力讓類似的方式走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
腦神經(jīng)與電子裝置對(duì)接 |《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》劇照
那么，到底什么是腦機(jī)接口呢？實(shí)際上，腦機(jī)接口就是指大腦與外界直接進(jìn)行信息通訊的一種方式。腦機(jī)接口技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)作為信息的中介，幫助大腦實(shí)現(xiàn)和外界信息的直接通訊。
那為什么要做腦機(jī)接口呢？我先舉一個(gè)罕見(jiàn)病的例子，漸凍癥。目前來(lái)說(shuō)，常規(guī)的治療方案都沒(méi)有辦法讓漸凍癥患者恢復(fù)活動(dòng)能力，但腦機(jī)接口或許可以。
2012年，第一個(gè)人腦控機(jī)器人出現(xiàn)了，通過(guò)頭上的“插頭”，患者可以把腦信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，進(jìn)而可以通過(guò)集中意念來(lái)控制機(jī)械臂，抓住水瓶，放到嘴邊喝水。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
2012年：第一個(gè)人腦控機(jī)器人 | Hochberg L R, Bacher D, Jarosiewicz B, et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm[J]. Nature, 2012, 485(7398): 372-375.
我們的大腦是由相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)分區(qū)組成的，比如顳葉，頂葉，額葉，枕葉，小腦和腦干等。這些區(qū)域?qū)嶋H上是不能拆分的，它們必須作為一個(gè)整體才能發(fā)揮出正常的腦的功能。
大腦的基本結(jié)構(gòu) | 李驍健供圖
大腦要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，主要依靠的是很多的神經(jīng)元。我們的大腦是由近千億個(gè)神經(jīng)元組成的，而每個(gè)神經(jīng)元都在進(jìn)行信息的接收、處理和轉(zhuǎn)化工作。這些神經(jīng)元們通過(guò)級(jí)聯(lián)形成了一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)這個(gè)龐大規(guī)模的神經(jīng)元形成一個(gè)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的處理了。
如果想獲得這些神經(jīng)元傳遞的信息，該怎么做呢？我們想的辦法就是在大腦里放入傳感器，監(jiān)聽(tīng)這些神經(jīng)元的活動(dòng)?？墒巧窠?jīng)元那么多，傳感器應(yīng)該放在哪兒呢？
講這個(gè)事之前，我們先來(lái)了解一下體育場(chǎng)效應(yīng)。大家去球場(chǎng)看球時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，前排看球看得更清楚；裁判員的位置可以自由活動(dòng)，能辨識(shí)每一個(gè)球員的動(dòng)作、聲音；后排可以看到整個(gè)球場(chǎng)乃至觀眾席；空中視野更開(kāi)闊。那么觀眾買票時(shí)買哪里的票呢？很顯然，當(dāng)我們是去看球，而不是看球場(chǎng)時(shí)，就會(huì)想買前排的票。
對(duì)于大腦，也是一樣的。在采神經(jīng)元的信號(hào)時(shí)，我們比較希望把這個(gè)傳感器放在離神經(jīng)元更近的位置，因?yàn)?strong>離得越近，清晰度就越高。
目前，腦機(jī)接口有三種常見(jiàn)的傳感器置放位置。
一種叫做EEG，是指把傳感器放在頭皮上。這個(gè)位置類似于在空中鳥(niǎo)瞰球場(chǎng)。EEG的方式不會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生創(chuàng)傷，但離腦神經(jīng)較遠(yuǎn)，信號(hào)清晰度較差。
第二種叫做ECoG，是指把傳感器貼在腦皮層表面。ECoG的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)扎破腦組織，跟EEG比起來(lái)信號(hào)清晰度高很多。
第三種就是“刺進(jìn)去”的情況了。刺入式是科研腦機(jī)接口領(lǐng)域的主流方式，這種方式所獲取的信號(hào)是清晰了不少，但對(duì)腦組織會(huì)有一定的刺入損傷，不能大規(guī)模使用。
就目前來(lái)說(shuō)，神經(jīng)信號(hào)的采集是一個(gè)“魚(yú)和熊掌不可兼得”的問(wèn)題。選擇哪種方式好，就需要判斷誰(shuí)是“熊掌”誰(shuí)是“魚(yú)”。
傳感器（神經(jīng)電極）離神經(jīng)元越近，清晰度越高 | 李驍健供圖
最近比較火的Neuralink腦機(jī)接口公司，采用的就是這種刺入式的電極。Neuralink系統(tǒng)是一種非常小巧的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微型化。這個(gè)微型系統(tǒng)中有電極傳感器，也有專用的處理器芯片。Neuralink系統(tǒng)一共展示了兩款系統(tǒng)，一種是有線的系統(tǒng)，另一種是無(wú)線的系統(tǒng)。有線和無(wú)線系統(tǒng)的植入過(guò)程一樣，但傳輸信息的方式不一樣。無(wú)線版的優(yōu)點(diǎn)在于腦子上不需要“拽線”，可以自由活動(dòng)，但這也導(dǎo)致了采集的數(shù)據(jù)需要做很大的壓縮。無(wú)線版采用藍(lán)牙通訊，藍(lán)牙的無(wú)線傳輸帶寬比較低，但對(duì)執(zhí)行簡(jiǎn)單的腦控任務(wù)來(lái)說(shuō)是夠用的。
Neuralink芯片展示 | Neuralink
在中國(guó)，我們也有自己研發(fā)的寬帶植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)了，比如我正在做的植入式腦機(jī)接口的項(xiàng)目。在我做的這個(gè)項(xiàng)目中，傳感器用的是不刺入腦組織中的那種，用的是貼在腦皮層表面的柔性電極網(wǎng)。
我們另一個(gè)研究成果是腦機(jī)接口專用芯片。和Neuralink芯片不同，我們沒(méi)有在一個(gè)芯片里放太多的信號(hào)采集通道，而是增加了16個(gè)性能很強(qiáng)勁的電刺激通道。也就是說(shuō)，我們這個(gè)芯片不光能采集神經(jīng)信號(hào)，更能同時(shí)把這個(gè)信號(hào)寫到腦神經(jīng)中去的，讀和寫的功能可以一起完成。
李驍健團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦機(jī)接口專用芯片 | 李驍健供圖
我們實(shí)驗(yàn)室最近也研發(fā)了幾款，具有更高時(shí)空精度的微型ECoG電極陣列，采用了最先進(jìn)的納米復(fù)合增強(qiáng)技術(shù)，采集的神經(jīng)信號(hào)有更多的細(xì)節(jié)信息，對(duì)腦信息的解碼具有很大的幫助，應(yīng)該會(huì)比較適合用在腦機(jī)接口中。另外，我們創(chuàng)立了光納米神經(jīng)遙控技術(shù)，這樣未來(lái)我們就有可能制成那種免手術(shù)植入的全無(wú)線的腦機(jī)接口系統(tǒng)。
植入式腦機(jī)接口的里程碑，患者通過(guò)虛擬鍵盤打字 | 圖片來(lái)源見(jiàn)水印
植入式腦機(jī)接口已經(jīng)有幾十年的研究歷史了，從上個(gè)世紀(jì)的六七十年代開(kāi)始，為了幫助殘疾退伍軍人實(shí)現(xiàn)生活自理，美國(guó)政府開(kāi)始資助研究運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)，主要針對(duì)的是治療癱瘓這個(gè)角度。
除了之前提到的例子，在2016年，第一個(gè)有觸覺(jué)的人腦控機(jī)器人出現(xiàn)了。一名患者因車禍出現(xiàn)了下肢癱瘓，上肢也不大能動(dòng)，他決定接受植入式腦機(jī)接口手術(shù)。手術(shù)后，這個(gè)患者控制機(jī)械手時(shí)比之前提到的例子要靈活，就是因?yàn)樵黾恿擞|覺(jué)信息。這位患者名叫內(nèi)森，在2016年還接受了美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬的接見(jiàn)，這也是腦機(jī)接口發(fā)展中一個(gè)重要的里程碑事件。
腦機(jī)接口還有另外一種方式，就是通過(guò)功能電刺激，驅(qū)動(dòng)自己“麻醉”的胳膊和手完成一些腦控動(dòng)作。所謂的功能電刺激，就是通過(guò)設(shè)備上的電極頭，刺激肌肉群，然后動(dòng)作就能做出來(lái)。
回到最開(kāi)始，我們說(shuō)的漸凍癥患者的例子。在2017和2018年，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了腦控敲擊虛擬鍵盤，以及上網(wǎng)發(fā)郵件的一些成果。這對(duì)于漸凍癥患者回歸社交活動(dòng)來(lái)說(shuō)，是一種希望。
2019年：第一個(gè)人腦神經(jīng)解碼語(yǔ)音合成器 | Anumanchipalli, G.K., Chartier, J. & Chang, E.F. Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature 568, 493–498 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1119-1
美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校公布的一項(xiàng)研究表明，我們可以對(duì)神經(jīng)活動(dòng)和聲音進(jìn)行分析和建模，將句子、單詞里面每一個(gè)因素都與喉部肌肉動(dòng)作相對(duì)應(yīng)。那么，當(dāng)采集到想說(shuō)話的神經(jīng)信號(hào)時(shí)，就可以用語(yǔ)音合成器重建這個(gè)聲音。現(xiàn)在合成的腦控聲音跟自然的說(shuō)話已經(jīng)非常相似了。這個(gè)例子里使用的就是ECoG電極，它貼在腦皮層表面比較薄，基本上不會(huì)傷到腦組織，可以覆蓋比較大的腦皮層區(qū)域，剛好適合語(yǔ)音解碼。
中國(guó)在植入式腦機(jī)接口研究領(lǐng)域才剛剛起步，但已經(jīng)取得了一些成果。比如，浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用商用腦機(jī)接口系統(tǒng)，在高齡志愿者身上實(shí)現(xiàn)了腦控機(jī)器人。這位志愿者通過(guò)自己的腦控機(jī)械手抓取到了油條，也拿到了可樂(lè)。
2019年國(guó)內(nèi)首例臨床研究成果，成功實(shí)現(xiàn)高齡（72歲）志愿者的腦控機(jī)器人 | 浙大新聞辦
除了前面介紹的運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口，最近腦機(jī)接口在難治性抑郁治療上也有突破。就目前的研究成果來(lái)看，對(duì)難治性抑郁的一兩例病人，腦機(jī)接口相關(guān)治療確實(shí)起到比較好的癥狀緩解效果。但有一個(gè)問(wèn)題是，精神類疾病一般會(huì)在多個(gè)腦區(qū)出現(xiàn)異常，所以可能需要進(jìn)行多靶點(diǎn)的協(xié)同調(diào)控，提高治愈率，也更適合更大多數(shù)的疾病人群。因此，在這方面我們還需要更深入地研究調(diào)控的靶點(diǎn)，確定出最準(zhǔn)確的靶點(diǎn)和療法。
在未來(lái)，植入式腦機(jī)接口會(huì)帶來(lái)什么樣的場(chǎng)景呢？前段時(shí)間去世的著名科學(xué)家霍金先生，他一生中的大部分時(shí)間其實(shí)都是癱坐在輪椅上的。如果給他配一個(gè)波士頓動(dòng)力機(jī)器人，給他做一個(gè)外骨骼機(jī)械的身體，再通過(guò)腦控的方式來(lái)控制，那么他是不是就基本可以去到任何他想去到的地方了呢？還有我們?cè)陂_(kāi)始提到的電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中的情況，把腦神經(jīng)和電子機(jī)械軀體進(jìn)行融合的生存方式，或許在不久的將來(lái)也是有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)的。
此外，未來(lái)的6G通訊技術(shù)，可能比現(xiàn)在的5G帶寬要寬千倍以上。這么大的帶寬就可以充分地支持，多人多地域腦信息的自由交流。也就是說(shuō)，大家或許可以很自然地在整個(gè)地球范圍內(nèi)進(jìn)行意念交流，沖破空間阻礙。如果真能實(shí)現(xiàn)，那么健康的人也可能很想擁有自己的腦機(jī)接口。換句話說(shuō)，腦機(jī)接口可以說(shuō)是元宇宙的終極形式。
未來(lái)，腦機(jī)接口會(huì)有更大的應(yīng)用空間 | Pixabay
從治病救人的角度來(lái)講，去年美國(guó)國(guó)家藥監(jiān)局發(fā)布了《植入式腦機(jī)接口醫(yī)療器械的指南》，中國(guó)的藥監(jiān)局也在抓緊準(zhǔn)備相似的指南了。信息標(biāo)準(zhǔn)化部門也在制定腦機(jī)接口的通訊標(biāo)準(zhǔn)。這些都將幫助越來(lái)越多的腦機(jī)接口產(chǎn)品面世，給一些患者帶來(lái)生活質(zhì)量的改善。
我們可以看到，腦機(jī)接口是一門科學(xué)，并不玄幻。從目前的研究成果來(lái)看，腦機(jī)接口的未來(lái)已來(lái)，但還有不少需要提升的空間，仍然充滿挑戰(zhàn)。
謝謝大家。
監(jiān)制&策劃：吳歐
作者：李驍健
編輯：韓越揚(yáng)
校對(duì)&排版：尹寧流
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