【健康前沿】
腦機(jī)接口的技術(shù)爆發(fā)期正在到來(lái)。
前不久，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院教授趙國(guó)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(guò)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(zhǎng)類動(dòng)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(duì)推動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域研究具有重要意義，標(biāo)志著我國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)躋身國(guó)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(guó)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(guò)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(chǎng)之一，因?yàn)槟X機(jī)接口技術(shù)開(kāi)啟了一條非常規(guī)大腦信息輸出通路，幫助運(yùn)動(dòng)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(lái)，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(dòng)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(guó)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(shí)的德國(guó)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(guó)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)，此后科學(xué)家嘗試通過(guò)解碼大腦電信號(hào)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(gè)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(shí)歸根到底都是腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)，我們?cè)囍涗泦蝹€(gè)神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)作電位的發(fā)放特點(diǎn)，或者收集多個(gè)腦區(qū)域的群體神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)特點(diǎn)，來(lái)理解不同腦區(qū)域在不同思維或行為下的電活動(dòng)。”北京腦科學(xué)與類腦研究所聯(lián)合所長(zhǎng)羅敏敏介紹，任何可以體現(xiàn)腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的方法，都可以包括在記錄這個(gè)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(dòng)來(lái)試著理解這些活動(dòng)到底對(duì)應(yīng)著什么事情，比如通過(guò)記錄到的電信號(hào)反推一個(gè)人的手是想往前動(dòng)還是往后動(dòng)。”羅敏敏說(shuō)。
當(dāng)解碼成功后，就來(lái)到了第三階段——控制。
“比如控制一個(gè)機(jī)械手的過(guò)程，就是記錄思維變化引起的神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)，解碼后把信息傳輸給機(jī)械手并控制其運(yùn)動(dòng)。”羅敏敏告訴記者，第四個(gè)階段就到了反饋，包括人看到機(jī)械臂動(dòng)了的視覺(jué)反饋，用多大勁兒才能不捏碎杯子的觸覺(jué)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(guò)開(kāi)顱手術(shù)的方式將能夠接收信號(hào)的電極植入腦中，但電極長(zhǎng)期放在腦子里，旁邊會(huì)出現(xiàn)炎癥，信號(hào)也會(huì)越來(lái)越差。而非侵入式腦機(jī)接口就是戴著一個(gè)腦電帽，腦電帽里面有大量的信號(hào)采集器，并不傷害大腦，但獲取的腦電信號(hào)容易受到外界干擾。
2、自誕生以來(lái)，就與醫(yī)療健康領(lǐng)域緊密結(jié)合
“1978年，美國(guó)的威廉·多貝爾為一個(gè)盲人的視覺(jué)皮層植入了68個(gè)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(dòng)神經(jīng)假體，實(shí)現(xiàn)了病人對(duì)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(guò)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(duì)其他設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。”趙繼宗介紹。
21世紀(jì)以來(lái)，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(chǎng)比賽開(kāi)球；2016年，我國(guó)神舟十一號(hào)飛船上進(jìn)行了太空腦-機(jī)交互實(shí)驗(yàn)；2020年，美國(guó)研究人員通過(guò)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(dòng)，還恢復(fù)了手的觸覺(jué)……
“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(píng)估為目的的腦機(jī)交互檢測(cè)，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(gè)方面。”首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院意識(shí)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(guò)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(dòng)作，這與國(guó)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(dòng)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(wú)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(shí)障礙治療方面，楊藝告訴記者，目前已運(yùn)用多模態(tài)檢測(cè)、神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了意識(shí)評(píng)估、意識(shí)改善和意識(shí)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(yǔ)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(shī)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(duì)漢字的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)書寫運(yùn)動(dòng)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(shuō)。
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(guó)際公認(rèn)的帕金森病中晚期治療的有效療法，在全國(guó)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(guó)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(cè)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(duì)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(kāi)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(méi)有形成大眾化、市場(chǎng)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(gè)領(lǐng)域的技術(shù)突破。“這是一個(gè)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(gè)產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中就會(huì)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(shuō)。
這首先需要進(jìn)一步加深對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)。“大腦有800到1000億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元又與上萬(wàn)個(gè)其他神經(jīng)元連接，我們對(duì)大腦的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”趙繼宗說(shuō)。
與此相對(duì)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(gè)神經(jīng)元，我們記錄的神經(jīng)元活動(dòng)仍然是微乎其微的。”羅敏敏介紹，“人腦有意識(shí)的信息處理量是每秒50個(gè)bit，現(xiàn)在最好的腦機(jī)接口信息處理量也就6到7個(gè)bit，這是2的40多次方的差距。”
侵入式腦機(jī)接口對(duì)大腦的損傷也不容忽視。
“植入電極需要開(kāi)顱手術(shù)，電極在腦中時(shí)間長(zhǎng)了有感染風(fēng)險(xiǎn)，電極周圍形成的神經(jīng)膠質(zhì)疤痕組織也會(huì)使信號(hào)逐漸衰減。”趙繼宗說(shuō)。有鑒于此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口的研發(fā)正在進(jìn)行中，“2019年國(guó)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(gè)電極，直接通過(guò)USB-C接口讀取大腦信號(hào)控制機(jī)器，對(duì)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(gè)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(duì)植入的微電極進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出了一種柔性微陣列電極，為將來(lái)腦機(jī)接口植入電極開(kāi)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(wèn)題。如果探測(cè)到一些人腦中有對(duì)社會(huì)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(guò)程中，對(duì)腦活動(dòng)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(lái)的研究方向。
“解決上述問(wèn)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(shuō)。
我國(guó)對(duì)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(dòng)。2023年2月，中國(guó)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(guó)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(dòng)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(shí)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(shuō)，人的意識(shí)歸根到底是一種神經(jīng)計(jì)算，那么意識(shí)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(jì)算轉(zhuǎn)化為以硅為主的數(shù)字化、電子化計(jì)算。“如果將來(lái)真的可以理解行為和意識(shí)的神經(jīng)計(jì)算原理，以及神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)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(shí)存儲(chǔ)、意識(shí)轉(zhuǎn)移是可以實(shí)現(xiàn)的。”
“當(dāng)然，目前腦科學(xué)對(duì)人的大腦的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到這一步。大規(guī)模地記錄神經(jīng)元活動(dòng)，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(zhǎng)期任務(wù)。”羅敏敏說(shuō)。
(光明日?qǐng)?bào) 本報(bào)記者 秦偉利)
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