腦機(jī)接口領(lǐng)域重大突破逐漸增多 技術(shù)發(fā)展已是大勢所趨

有這樣一位名為 Buz Chmielewski 的男子，曾在一次出海沖浪時(shí)不幸遭遇意外，四肢癱瘓。從正值十幾歲的大好年華到此后的 30 余年里，Buz Chmielewski 的手臂幾乎不能做出任何活動(dòng)。

雖然再也無法回到少年時(shí)的那般健康有活力，但他還是鼓起勇氣接受了一組來自美國著名私立大學(xué)約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院、應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，挑戰(zhàn)常人眼中的不可能。

幸運(yùn)的是，實(shí)驗(yàn)很成功!

Buz Chmielewski 借助科技的力量，用意識(shí)同時(shí)控制了兩條機(jī)械臂，這在醫(yī)學(xué)上還是首次。

首先，他控制左機(jī)械臂拿刀、右機(jī)械臂拿叉，切開盤子里的蛋糕。

接著，其中一條機(jī)械臂緩慢移動(dòng)，將蛋糕送到嘴中。

其實(shí)，研究團(tuán)隊(duì)用在他身上的正是大眾既耳熟能詳又表示擔(dān)憂的一項(xiàng)技術(shù)——「侵入式腦機(jī)接口」。

10 小時(shí)手術(shù)植入 6 個(gè)電極

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被稱為「雙邊腦機(jī)接口植入實(shí)驗(yàn)」。

早在 2006 年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)發(fā)起了與這一實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一個(gè)項(xiàng)目，希望研究團(tuán)隊(duì)能夠盡快改進(jìn)義肢(上肢)的技術(shù)，為患者操作義肢提供新的思路方法——其最初的設(shè)想是創(chuàng)造一個(gè)具有類似人類能力的神經(jīng)集成義肢(上肢)，隨后慢慢衍生出了模塊化假肢(MPL)，集成了諸如應(yīng)用于指尖的壓力和加速度傳感器。

2019 年 1 月，在長達(dá) 10 個(gè)小時(shí)的手術(shù)中，外科醫(yī)生將 6 個(gè)電極植入了 Buz Chmielewski 的大腦，旨在改善其雙手對(duì)外界的感知，實(shí)現(xiàn)傳說中的意念控制。

具體來講，Buz Chmielewski 的大腦兩側(cè)(控制運(yùn)動(dòng)和觸覺的區(qū)域)植入了皮質(zhì)內(nèi)微電極陣列傳感器。手術(shù)中團(tuán)隊(duì)還用到了一種首創(chuàng)的方法，通過實(shí)時(shí)繪制大腦活動(dòng)圖來確定放置電極的最佳位置。

手術(shù)后，約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院、應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開始了近 2 年的聯(lián)合研究，終于達(dá)到了上述這一重要的里程碑。

如下圖所示，約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室工程師 Francesco Tenore 博士站在 Buz Chmielewski 一側(cè)，密切關(guān)注著他對(duì)兩條機(jī)械臂的意識(shí)控制。

正如研究團(tuán)隊(duì)成員、醫(yī)學(xué)博士、約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)主任、教授 Pablo Celnik 所說：

這種類型的研究，我們常稱其為腦機(jī)接口(BCI)，目前絕大多數(shù)嘗試都集中在通過控制大腦的一側(cè)實(shí)現(xiàn)單機(jī)械臂的控制。因此，通過植入電極從大腦兩側(cè)檢測信號(hào)，控制兩條機(jī)械臂執(zhí)行基本的日?；顒?dòng)，可以說是實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的任務(wù)的重要一步。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)成員、約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)助理教授、Gabriela Cantarero 博士補(bǔ)充道：

借助腦機(jī)接口同時(shí)控制兩條機(jī)械臂是一項(xiàng)特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗皇且粋€(gè)簡單的求和，不是說只要在大腦中算出左臂的動(dòng)作 + 右臂的動(dòng)作就行。在這里，可能 1+1并不等于 2，1 + 1 = 3.8。

值得關(guān)注的是，這一突破性實(shí)驗(yàn)其實(shí)是腦機(jī)接口 + 機(jī)器人 + 人工智能的共同成就——在患者體外的硬件部分，研究人員通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂控制的部分自動(dòng)化。如果說 Buz Chmielewski 的努力在于通過意識(shí)控制保證細(xì)節(jié)(如：蛋糕的準(zhǔn)確位置、蛋糕切好后的具體大小)，那么機(jī)器人部分的工作則是為了讓這些基本動(dòng)作更易達(dá)成。

實(shí)際上，研究團(tuán)隊(duì)一直在探索利用神經(jīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 “實(shí)時(shí)”控制。為了檢測效果，還有三位參與者加入了神經(jīng)控制研究，最終三位參與者都成功實(shí)現(xiàn)了單機(jī)械臂神經(jīng)控制。

就未來而言，該團(tuán)隊(duì)還在研究通過神經(jīng)刺激同時(shí)為患者雙手提供感覺反饋的方法。Francesco Tenore 博士表示：

下一步的工作包括：增加患者日?；顒?dòng)的數(shù)量和類型，從而證明這種形式的人機(jī)合作是可靠的，從而為用戶提供額外的感官反饋任務(wù)。這也就意味著，患者不必完全依靠視覺來判斷是否成功，就像普通人系鞋帶時(shí)不用看也能感覺到自己的動(dòng)作，把鞋帶系好。

終于，利用大腦植入物，四肢癱瘓的患者能夠用意識(shí)同時(shí)控制兩條假肢了，這無疑對(duì)于脊髓高度損傷和神經(jīng)肌肉疾病患者的能力恢復(fù)有著重要意義。

腦機(jī)革命：侵入 or 非侵入?

近年來，腦機(jī)接口領(lǐng)域的重大突破逐漸多了起來。

2020 年 1月 16日，浙江大學(xué)正式宣布了 “雙腦計(jì)劃”的科研成果，植入電極的志愿者可利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)。

2020 年 4 月 23 日，《細(xì)胞》(Cell)雜志刊登了一篇來自美國俄亥俄州的重磅研究論文，介紹了一個(gè)通過腦機(jī)接口系統(tǒng)來恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷的患者手部觸覺和運(yùn)動(dòng)能力的案例，該案例中觸覺準(zhǔn)確率已達(dá)到了 90%。

北京時(shí)間 2020 年 8 月 29 日上午 6:40，Neuralink 舉行發(fā)布會(huì)，展示了最新的可穿戴設(shè)備LINK V0.9和手術(shù)機(jī)器人，并通過現(xiàn)場的三只小豬和實(shí)時(shí)神經(jīng)元活動(dòng)演示，展示了 Neuralink腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程。

即便馬斯克在電動(dòng)車、腦機(jī)接口、上火星等領(lǐng)域都十分激進(jìn)，但在萬眾期待的Neuralink 發(fā)布會(huì)上，馬斯克請(qǐng)來現(xiàn)場展示的仍然不是人類，腦機(jī)接口技術(shù)的難度由此可見一斑。

值得一提的是，上述三例均屬于「侵入式腦機(jī)接口」，即必須將電極植入到人腦中，而與之對(duì)應(yīng)的「非侵入式腦機(jī)接口」則是僅將電極放置在人的頭皮上，進(jìn)行信號(hào)采集。

談起后者，繞不開一位中國企業(yè)家——盛大集團(tuán)創(chuàng)始人陳天橋。

在腦機(jī)接口方面，陳天橋更為注重的是「非侵入式腦機(jī)接口」。2020 年 10 月，TCCI(陳天橋雒芊芊研究院)的首個(gè)「腦科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)室」在上海落成，中美腦科學(xué)研究領(lǐng)域的最新成果也一并展示，其中諸如用嗅覺控制夢境的腦科學(xué)領(lǐng)域研究令眾人眼前一亮。

實(shí)際上，目前國內(nèi)外已有眾多企業(yè)也開始了非侵入式的探索，利用人工智能算法、體外電極貼、手機(jī) APP 檢測睡眠質(zhì)量、解決睡眠問題的嘗試已然存在。

不論哪種方式會(huì)更先被大眾認(rèn)可，一個(gè)不可忽視的事實(shí)是：腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展已是大勢所趨。

關(guān)鍵詞： 腦機(jī)接口