腦機接口，正加速“接入”健康

　　腦機接口的技術爆發(fā)期正在到來。

　　前不久，首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院教授趙國光團隊、清華大學醫(yī)學院教授洪波團隊共同宣布，全球首例植入式硬膜外電極腦機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展，患者通過大腦硬膜外芯片植入實現(xiàn)自主腦控喝水。

　　去年5月，全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京取得成功。試驗在猴腦內(nèi)實現(xiàn)了介入式腦機接口腦控機械臂，對推動腦科學領域研究具有重要意義，標志著我國腦機接口技術躋身國際領先行列。

　　腦機接口技術并非一項新技術。1973年，美國加州大學雅克·維達爾發(fā)表的一篇文章中首次提出“腦機接口(BCI)”概念，距今已走過50多年。醫(yī)學健康領域，則是腦機接口技術最大的應用市場之一，因為腦機接口技術開啟了一條非常規(guī)大腦信息輸出通路，幫助運動功能障礙患者，如腦卒中、漸凍癥等與外部設備交互，從而提升生活質量。

　　未來，利用腦機接口技術還能獲取大腦功能區(qū)的信息并進行分析，這些都將有助于神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病診斷、篩查、監(jiān)護、治療與康復等工作……

　　1、大腦和機器連接，記錄、解碼、控制、反饋

　　腦機接口，是指在人或動物與外部設備間創(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-機的一種全新的通信和控制技術。據(jù)中國科學院院士、首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師趙繼宗介紹，腦機接口最早要追溯到1924年，當時的德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格發(fā)現(xiàn)了人類腦電，這實際上就是目前腦機接口的基礎。1969年，德裔美國神經(jīng)學家埃伯哈德·費茲用猴子進行了腦機接口的動物實驗，此后科學家嘗試通過解碼大腦電信號準確控制外部設備，腦機接口邁入科學論證階段。

　　基本上所有的腦機接口系統(tǒng)都包含記錄、解碼、控制和反饋四個階段。

　　“記錄”是腦機接口的第一階段。

　　“想要理解腦機接口的原理，我們首先要明確，人類的所有思維、行為、意識歸根到底都是腦內(nèi)神經(jīng)細胞的電活動，我們試著記錄單個神經(jīng)細胞動作電位的發(fā)放特點，或者收集多個腦區(qū)域的群體神經(jīng)細胞的活動特點，來理解不同腦區(qū)域在不同思維或行為下的電活動。”北京腦科學與類腦研究所聯(lián)合所長羅敏敏介紹，任何可以體現(xiàn)腦內(nèi)神經(jīng)細胞活動的方法，都可以包括在記錄這個第一階段。

　　“腦機接口的第二階段是解碼。就是根據(jù)你記錄到的神經(jīng)細胞電活動來試著理解這些活動到底對應著什么事情，比如通過記錄到的電信號反推一個人的手是想往前動還是往后動。”羅敏敏說。

　　當解碼成功后，就來到了第三階段——控制。

　　“比如控制一個機械手的過程，就是記錄思維變化引起的神經(jīng)細胞電活動，解碼后把信息傳輸給機械手并控制其運動。”羅敏敏告訴記者，第四個階段就到了反饋，包括人看到機械臂動了的視覺反饋，用多大勁兒才能不捏碎杯子的觸覺反饋等。

　　腦機接口，大腦和機器的連接方式是關鍵。

　　據(jù)介紹，目前腦機接口的連接方式主要是侵入式和非侵入式。侵入式腦機接口就是通過開顱手術的方式將能夠接收信號的電極植入腦中，但電極長期放在腦子里，旁邊會出現(xiàn)炎癥，信號也會越來越差。而非侵入式腦機接口就是戴著一個腦電帽，腦電帽里面有大量的信號采集器，并不傷害大腦，但獲取的腦電信號容易受到外界干擾。

　　2、自誕生以來，就與醫(yī)療健康領域緊密結合

　　“1978年，美國的威廉·多貝爾為一個盲人的視覺皮層植入了68個電極的陣列，成功制造了光幻視。1998年，埃默里大學的神經(jīng)外科醫(yī)生菲利普·肯尼迪和羅伊·巴凱為病人植入運動神經(jīng)假體，實現(xiàn)了病人對電腦光標的控制。同年，布朗大學約翰·多諾霍團隊通過腦部手術把電極直接插在皮層，和主機連接，使人腦能對其他設備進行遠程控制。”趙繼宗介紹。

　　21世紀以來，腦機接口技術在醫(yī)療領域不斷取得成果——2012年在巴西世界杯上，截肢殘疾者憑借腦機接口和機械外骨骼為第一場比賽開球;2016年，我國神舟十一號飛船上進行了太空腦-機交互實驗;2020年，美國研究人員通過腦機接口使一位28歲的截癱病人不僅恢復了手的運動，還恢復了手的觸覺……

　　“目前腦機接口技術在臨床的應用，可以概括為以腦功能評估為目的的腦機交互檢測，以解碼交流與設備控制為目的的腦機接口應用，以功能重塑康復為目的的腦機訓練反饋，以及以腦網(wǎng)絡環(huán)路干預為目的的腦機融合神經(jīng)調(diào)控等4個方面。”首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院意識障礙外科主任醫(yī)師、腦機接口轉化研究中心執(zhí)行副主任楊藝介紹。但腦機接口在研究探索和臨床應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，浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院教授張建民團隊通過手術，給一位72歲的高位截癱病人腦中植入電極，完成了控制機械臂和機械手等動作，這與國際上的腦機接口技術是同步的。”趙繼宗介紹，目前首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院主任醫(yī)師韓小弟團隊正與北京大學教授李志宏合作，希望將腦機接口和脊髓電刺激相結合，幫助四肢癱病人完成行走動作。首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院教授賈旺團隊與洪波團隊合作的微創(chuàng)無線腦機接口成功植入和首次意念控制光標，有望為高位截癱、肌萎縮側索硬化等神經(jīng)功能障礙患者提供全新的康復治療方向，幫助患者恢復生理功能。

　　在意識障礙治療方面，楊藝告訴記者，目前已運用多模態(tài)檢測、神經(jīng)調(diào)控、腦機接口等技術實現(xiàn)了意識評估、意識改善和意識的輸出。

　　在意念打字方面，腦機接口可以幫助中風、肌萎縮側索硬化癥等失語病人進行表達。2019年，清華大學高小榕教授團隊協(xié)助患病12年的漸凍人借助腦機接口打字系統(tǒng)，用意念控制機器打出現(xiàn)代詩句。“首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院教授王伊龍團隊針對漢字的結構特點，開發(fā)書寫運動軌跡解碼技術，為漢字的意念性打字提供基礎。”趙繼宗說。

　　在功能性腦疾病治療方面，腦深部電刺激術(DBS)作為一種基于腦機接口的神經(jīng)調(diào)控技術，是國際公認的帕金森病中晚期治療的有效療法，在全國都有廣泛的應用。2022年3月，首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院教授趙國光、單永治團隊成功為一例難治性癲癇患者施行閉環(huán)反應性神經(jīng)刺激系統(tǒng)注冊試驗植入手術，閉環(huán)反應性神經(jīng)刺激系統(tǒng)是腦機接口在臨床領域的重要應用。

　　此外，2020年腦科學實驗室落戶上海華山醫(yī)院，探索運用腦機接口技術對睡眠障礙病人進行治療。同年，瑞金醫(yī)院成立腦機接口及神經(jīng)調(diào)控中心，開展腦機接口技術與抑郁治療的研究。

　　3、大規(guī)模記錄和準確解碼編碼任重道遠

　　雖然應用前景良好，但目前腦機接口還沒有形成大眾化、市場化的產(chǎn)品，更多停留在臨床試驗階段。

　　腦機接口技術需要多個領域的技術突破。“這是一個典型的‘木桶理論’，腦機接口的任何一項相關技術被卡住了，整個產(chǎn)品在實際應用中就會碰到困難，這就要求腦科學、臨床醫(yī)學與新型電極、芯片相關的工程學的共同進步。”羅敏敏說。

　　這首先需要進一步加深對大腦的認識。“大腦有800到1000億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元又與上萬個其他神經(jīng)元連接，我們對大腦的認知還遠遠不夠。”趙繼宗說。

　　與此相對的是，目前腦機接口的通信速率仍然較低。“現(xiàn)在最頂尖的電生理技術一次可以記錄1000個神經(jīng)元，我們記錄的神經(jīng)元活動仍然是微乎其微的。”羅敏敏介紹，“人腦有意識的信息處理量是每秒50個bit，現(xiàn)在最好的腦機接口信息處理量也就6到7個bit，這是2的40多次方的差距。”

　　侵入式腦機接口對大腦的損傷也不容忽視。

　　“植入電極需要開顱手術，電極在腦中時間長了有感染風險，電極周圍形成的神經(jīng)膠質疤痕組織也會使信號逐漸衰減。”趙繼宗說。有鑒于此，當前國內(nèi)外對微創(chuàng)、無創(chuàng)腦機接口的研發(fā)正在進行中，“2019年國外研究人員利用手術機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個電極，直接通過USB-C接口讀取大腦信號控制機器，對大腦損傷更小，傳輸數(shù)據(jù)更多。2022年，洪波團隊與解放軍總院神經(jīng)外科合作，只用3個顱內(nèi)電極實現(xiàn)了微創(chuàng)植入腦機接口打字。2022年，賈旺團隊對植入的微電極進行研究，開發(fā)出了一種柔性微陣列電極，為將來腦機接口植入電極開辟了新的途徑。”

　　必須考慮的是，腦機接口的安全性和倫理性問題。如果探測到一些人腦中有對社會有威脅的想法，是否應該采取相應措施等。實現(xiàn)腦機接口應用的過程中，對腦活動數(shù)據(jù)進行有效安全的管理并制定相關標準規(guī)范同樣是未來的研究方向。

　　“解決上述問題需要醫(yī)師、科學家、工程師、倫理學家、政府監(jiān)督機構和患者權益團體密切合作，共同推進腦機接口的健康快速發(fā)展。”趙繼宗說。

　　我國對腦機接口技術發(fā)展也非常重視。2021年，科技創(chuàng)新2030重大項目——腦科學與類腦研究正式啟動。2023年2月，中國腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，旨在發(fā)揮政產(chǎn)學研用橋梁紐帶作用，為我國腦機接口、腦機交互、腦機智能領域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強跨領域與行業(yè)交流，推動技術創(chuàng)新與應用探索。

　　人們更期待的是，腦機接口能否像科幻作品里那樣，將意識轉移或上傳?或者提取記憶、共享記憶?“隨著技術的進步，這些情況都是有可能發(fā)生的。”羅敏敏說，人的意識歸根到底是一種神經(jīng)計算，那么意識轉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算轉化為以硅為主的數(shù)字化、電子化計算。“如果將來真的可以理解行為和意識的神經(jīng)計算原理，以及神經(jīng)細胞的電活動特點、編解碼特點，那么這種依托于腦機接口技術的意識存儲、意識轉移是可以實現(xiàn)的。”

　　“當然，目前腦科學對人的大腦的理解還遠遠沒有達到這一步。大規(guī)模地記錄神經(jīng)元活動，盡可能準確地把人的行為和思維進行解碼和編碼，是一項長期任務。”羅敏敏說。

（責任編輯：華康）