眾所周知，早期腦機(jī)接口(BCI)的開發(fā)專注于幫助癱瘓病人恢復(fù)一定的運(yùn)動(dòng)能力，后來，人們?cè)谒惴ǎ牧?，結(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)，希望實(shí)現(xiàn)腦機(jī)之間的精確交互。目前基于腦機(jī)交互的原理，BCI技術(shù)在恢復(fù)感覺能力甚至治療精神疾病方面都有了用武之地。最近，研究人員甚至實(shí)現(xiàn)了利用BCI技術(shù)讓癱瘓病人開口說話，去年7月，在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上報(bào)道了一項(xiàng)來自加州大學(xué)舊金山分校的(UCSF)研究團(tuán)隊(duì)的BCI技術(shù)，一種神經(jīng)植入物幫助一名癱瘓男子說出了18年來可被人類認(rèn)知理解的第一句話：“我的家人在外面?！边@一成就不僅突顯了BCI工程的最新進(jìn)展，還給了我們大膽想象該技術(shù)能為人類帶來福祉的空間。
BCI在輔助人類感知行為中的適應(yīng)性增強(qiáng)離不開電子技術(shù)、材料科學(xué)和人工智能(AI)的進(jìn)步，正是這些技術(shù)使設(shè)備更智能、更小、更無創(chuàng)，因此與人體更相容。BCI技術(shù)最基本的功能是允許人類大腦和外部設(shè)備之間的交互，其中系統(tǒng)裝置有侵入性和非侵入性兩種，侵入性即外科醫(yī)生將BCI系統(tǒng)直接植入大腦內(nèi)部或皮層，這種裝置通常由幾十個(gè)微小的金屬電極組成，以功能神經(jīng)元為目標(biāo)，既可以記錄它們的活動(dòng)，又能刺激它們產(chǎn)生特定活動(dòng)。侵入性裝置最明顯的好處就是可以直接接觸到大腦的電信號(hào)，信噪比高，但也帶來所有侵入性手術(shù)存在的健康風(fēng)險(xiǎn)，而且破壞了神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的完整性，有研究人員在BCI系統(tǒng)植入中發(fā)現(xiàn)，大腦不喜歡外來物質(zhì)，所以神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)生長在皮質(zhì)內(nèi)電極上，這使電極失去記錄或刺激功能。非侵入性BCI系統(tǒng)通常依靠放置在頭皮的傳感器來同時(shí)檢測多達(dá)數(shù)百萬神經(jīng)元的腦電活動(dòng)。它最直接的優(yōu)點(diǎn)就是不需要手術(shù)，但與此同時(shí)，記錄到信號(hào)的信噪比會(huì)降低。兩種裝置的區(qū)別這就像聽兩個(gè)人在說什么時(shí)是站在旁邊還是隔了一堵墻。
在2005年首次報(bào)道的工作中，來自多個(gè)美國學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)依靠幾十年的動(dòng)物研究，為一位名四肢癱瘓患者植入了第一個(gè)控制人工手的BCI，從而依靠一系列穩(wěn)步的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了假肢完全三維控制和抓取的能力，并提供觸覺反饋。
圖源：麻省理工學(xué)院；一種柔軟、有彈性、重量輕的機(jī)械手系統(tǒng)，同時(shí)提供肌電控制和觸覺反饋，比傳統(tǒng)的神經(jīng)義肢使截肢者有更強(qiáng)的控制能力
隨著認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，BCI除了改善假肢功能，已被廣泛用于治療各種精神和神經(jīng)障礙。1997年，美國食品和藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)了第一個(gè)深部腦刺激(DBS)設(shè)備，植入鎖骨下的設(shè)備控制由一個(gè)長電極與多個(gè)電接觸點(diǎn)組成的系統(tǒng)，用于治療特發(fā)性震顫，2002年批準(zhǔn)用于治療帕金森，現(xiàn)在DBS已經(jīng)成為治療帕金森病和原發(fā)性震顫的有效手段，可以使病人在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)上平均提高60%，這在許多情況下往往決定了病人是否能回到正常的工作場合。但阻礙這項(xiàng)技術(shù)推廣于臨床的最大困難就是大多數(shù)病人無法接受它的侵入性，當(dāng)病人得知DBS需要在他們鎖骨下植入設(shè)備時(shí)，“我將首先嘗試其他所有方式”，一位帕金森病人說道。而就在去年，UCSF團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新型DBS設(shè)備，并且成功治療了一名自同年以來就患有難治性重度抑郁癥的36歲女性。相比傳統(tǒng)DBS技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)能夠探測到與女性抑郁癥狀相關(guān)的特定大腦活動(dòng)模式，并將電脈沖精準(zhǔn)傳送功能大腦回路，這得益于認(rèn)知科學(xué)和AI算法的發(fā)展。
圖源：維基共享；DBS電極(白色)被手術(shù)植入到大腦兩個(gè)半球的丘腦下核(橙色)。這些大腦區(qū)域在促進(jìn)和抑制某個(gè)運(yùn)動(dòng)意圖方面發(fā)揮主要作用
BCI研究的另一個(gè)焦點(diǎn)是通過打字、手寫或合成語音的方式幫助失去說話能力的人更好地交流，2017年， 由塔夫茨大學(xué)的研究人員和其他幾個(gè)美國大學(xué)組成的名為“BrainGate”團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一套允許三個(gè)癱瘓病人通過控制自己的思維使用屏幕上的光標(biāo)選擇字母的BCI系統(tǒng)，其中最快的達(dá)到了一分鐘打8個(gè)單詞。2021年5月，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了令癱瘓病人以每分鐘86個(gè)字符的速度生成英語句子。兩個(gè)月后，UCSF團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了用BCI技術(shù)令癱瘓病人“開口說話”，當(dāng)病人表現(xiàn)出說話意圖時(shí)，自定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別出他大腦活動(dòng)模式微妙的變化，來檢測說話意圖，隨后識(shí)別他試圖說的單詞。這個(gè)訓(xùn)練幫助系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)語言模型，當(dāng)病人試圖說某個(gè)特定的單詞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測到特定大腦模式并做出反應(yīng)。該系統(tǒng)解碼單詞的平均速度為每分鐘15個(gè)單詞，正確率為74%。團(tuán)隊(duì)表示，雖然目前的詞匯量非常有限，但這對(duì)于BCI實(shí)現(xiàn)語言功能是一個(gè)開創(chuàng)性的成果，他們也有十分的信心去花更多的時(shí)間和精力讓系統(tǒng)變得更好。該團(tuán)隊(duì)希望他們的工作有一天能恢復(fù)每年因中風(fēng)、疾病或受傷而失去說話能力的數(shù)千人的溝通能力。
圖源：BrainGate.org；BrainGate研究合作開發(fā)的BCI由100個(gè)微小的金屬電極組成(大小約為一枚10美分硬幣)，用來記錄來自大腦運(yùn)動(dòng)皮層和書寫有關(guān)的部分信號(hào)，并將這些信號(hào)處理后在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的文本
圖源：UCSF/Noah Berger；由256個(gè)電極組合成6 cm × 6 cm大小的記錄皮質(zhì)電活動(dòng)的植入物，置于大腦表面而不穿透組織，用于解析外科手術(shù)治療中癲癇病人的發(fā)病源
UCSF團(tuán)隊(duì)還受到FaceBook的基金支持，但他們近期將目光轉(zhuǎn)向了無創(chuàng)腕式設(shè)備技術(shù)，試圖實(shí)現(xiàn)開發(fā)一個(gè)使普通人能夠每分鐘輸入100個(gè)單詞的神經(jīng)接口系統(tǒng)。
關(guān)于BCI應(yīng)用技術(shù)前沿，不得不提到由特斯拉CEO伊隆·馬斯克于2016年創(chuàng)立的Neuralink公司。和Facebook將目標(biāo)定位普通消費(fèi)者不同，Neuralink仍繼續(xù)將重點(diǎn)放在最初的為患者設(shè)計(jì)設(shè)備上。該公司最新推出一個(gè)由1024個(gè)絲狀可彎曲電極組成的無線、硬幣大小的神經(jīng)接口，這些電極可以穿透大腦皮層，記錄和操縱神經(jīng)活動(dòng)。雖然還在進(jìn)行人體測試，但該設(shè)備已經(jīng)可以讓猴子玩簡單的類似“突出重圍”的視頻游戲。專家學(xué)這們認(rèn)為，Neuralink最大的優(yōu)勢在于公司雄厚的金錢和人力資源支持，盡管迄今為止它所展現(xiàn)的技術(shù)并沒有明顯優(yōu)勢，但日后它很有可能處于BCI應(yīng)用技術(shù)的領(lǐng)先地位。尤其在通過無線被動(dòng)記錄技術(shù)進(jìn)行預(yù)測工作方面，Neuralink做了一個(gè)非常好的開端。但要擴(kuò)大BCI技術(shù)的應(yīng)用主體，市場因素可能將會(huì)發(fā)揮最很關(guān)鍵的作用，這就不得不考慮監(jiān)管批準(zhǔn)、市場容錯(cuò)、供應(yīng)鏈和價(jià)格等因素。有分析師預(yù)測，到2030年，全球BCI市場價(jià)值將達(dá)到55億美元，從世界范圍各大高校及公司研究單位廣泛投入到腦科學(xué)研究中，到Neuroink 、Facebook等大公司致力于開發(fā)適合廣泛應(yīng)用于患者和普通消費(fèi)者的BCI設(shè)備，BCI技術(shù)的應(yīng)用前景是無可限量的。領(lǐng)導(dǎo)UCSF團(tuán)隊(duì)的博士后研究員大衛(wèi)·摩西說，在過去的十年里，這一領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，其中一個(gè)最明顯的跡象是，行業(yè)參與度迅速上升。
來源：
Palmer C . Brain–computer interface speaks up - ScienceDirect[J]. 2021.
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