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脑机接口:当梦想照进现实

原创 作者:钱丽娜 王倩 / 发布时间:2023-01-05/ 浏览次数:0

 

“脑机接口”从科幻走进了现实。

 

2022年11月30日晚,特斯拉创始人埃隆·马斯克联合七位科学家、工程师创立的神经技术初创公司Neuralink在硅谷举行宣讲活动。活动展示了一只名为Sake的猴子通过大脑控制一个虚拟键盘来打字。有消息称,展示台上飘过的"Welcome to Show and Tell!"字样,其实就是猴子打出来的。

 

马斯克及团队声称,未来半年,他们有望开始将芯片植入人脑的人体试验计划。在马斯克的热摔之下,脑机接口技术不断冲上热搜。

 

与此同时,与脑科学相关的技术受到各个国家的重视。继人类基因组计划、曼哈顿工程以及阿波罗计划之后,美国将人类脑计划列入另一项宏大的技术工程。中国也将脑机接口和脑科学列为7项“卡脖子”的技术之一,写入"十四五"规划,并投资530亿元启动“国家脑计划”。

 

“脑机接口”往事

 

从1929年德国精神科医师汉斯·伯格(Hans Berger)发表了历史上第一篇记载人类脑电测量的论文以来,人类一直在试图揭开大脑之谜。汉斯公开了人类头盖骨上测量到的电波图像,并将此图像命名为脑电图(Electroencephalogram,EEG)。电波图像的发现证明了人类脑电波的存在,为人类脑部活动研究开启了全新的可能。

 

1969年,美国神经科学家埃伯哈德·费兹(Eberhard Fetz)将实验猴大脑中一个神经元与仪表盘连接,实现了将侵入式脑机接口技术首次成功应用于灵长类动物。通过食物反馈,猴子成功学会了控制大脑神经元的触发。在人类历史上,第一次验证了灵长类动物的脑电波能够用于驱动外部设备,从而证明了大脑的神经可塑性。

 

1978年,美国生物医学家威廉·多贝尔(William Dobelle)将68个电极的阵列植入到成年后意外失明的患者杰瑞的大脑视觉皮层上,使他能够看到以白点勾勒出的图像轮廓。作为脑机接口技术的创新应用,“多贝尔之眼”(人造眼)率先证实了脑机接口技术与仿生技术融合的可操作性,引领了“用科技突破生理障碍”的进一步探索。

 

2000年,脑机接口之父、杜克大学荣誉教授米格尔·尼可莱利斯(Miguel Nicolelis)在《自然》(Nature)期刊上第一次使用并定义了专有名词“脑机接口"(Brain-Machine Interface,BMI),将其用于活体大脑与虚拟设备间实时连接的统称(Real-time link between living brains and artificial devices) , 从此“脑机接口”作为技术术语被沿用至今。

 

随着微电子、医疗器械、芯片、材料学、算法、神经科学等脑机接口的底层技术得到突破,脑机接口技术越来越贴近现实生活。当前,脑机接口在临床上可用于运动障碍、语言障碍、意识障碍的治疗,帮助渐冻症和癫痫等患者提高生存质量。

 

中科院上海微系统与信息技术研究所副所长、国家2020前沿实验室创始主任、上海脑虎科技有限公司(NeuroXess,以下称“脑虎科技”)创始人陶虎认为: “脑机接口作为人类大脑和世界沟通的渠道,已成为脑科学领域最重要的底层核心工具。人类通过几十亿年的进化站到了物种的顶端,这缘自大脑选择了正确的进化路径。”

 

研究显示:人类的大脑由1000亿个神经元组成,其性能远超世上最先进的超级计算机。不同神经元之间通过电信号进行交流,对信息进行储存和整理。虽然神经元类型各异,但它们通常由三部分组成:树突(用于接收信号)、胞体以及轴突(用于发送信号),并且这三部分都存在一种名为“突触”的结构。作为不同神经元之间的连接点,突触在大脑信息的传递上扮演着关键作用。突触的互联形成了中枢神经系统中的神经元网络,对人们的思维及感受的形成极为重要。当神经元细胞受到一定程度的刺激时,便会触发动作电位(指细胞膜产生的一次可逆的、可传导的电位变化),进而促使突触释放神经递质(指神经系统存在的一类具有活性作用,可传递信息的化学物质),将指令与信息传遍大脑与全身。

 

人们之所以将脑机接口称作颠覆性的技术,就是因为大脑不仅是最高级的器官,也是最复杂且脆弱的器官。越来越多的研究证明,神经疾病和精神疾病本质上是大脑神经元异常放电导致的,即该放电时不放电,不该放电时乱放电。为了更好地破解大脑之谜,科学家们正在尝试通过放置电极来收集和读取脑电波,以解码神经元信息。借助脑机接口设备有效翻译大脑发出的信号,可以实现大脑与机器的直接沟通,直观呈现出人类的所观、所感、所想,未来还可以调节大脑放电,为人类提供认识脑、保护脑和增强脑的方法。

 

两条赛道,各领风骚

 

2015年,韩璧丞在美国波士顿成立了BrainCo 强脑科技公司,并在之后成为首家入选哈佛大学创新实验室的中国团队。公司目前融资超2亿美元,是全球脑机接口领域的独角兽。2016年,由马斯克牵头发起的Neuralink公司成立,目前融资超3亿美元。业界统计显示,在脑机接口领域,真正融资超过2亿美元以上且融资全部投入研发的只有这两家公司。

 

不过,这两家公司的技术方向截然不同,BrainCo强脑科技公司选择的是非侵入式脑机接口,集中了一批来自哈佛、MIT里做脑机接口的研究人员;Neuralink 选择的则是侵入式脑机接口,研究人员主要来自斯坦福侵入式实验室。

 

在BrainCo强脑科技公司创始人兼CEO韩璧丞看来,侵入式和非侵入式脑机接口各有利弊。

 

采用“侵入式”脑机接口时,患者要接受开颅手术。Neuralink的发布会用了60%的时间讲解如何轻松开颅。这是因为人的头骨非常坚硬,需要拿锯子或钻子去钻口,但实际上很少有人愿意接受创伤性手术除非是ALS(肌萎缩侧索硬化)病人或是瘫痪到连话都不能说的病人,因而这一方案仅适用于一小批患者。

 

至于在脑中插入电极的操作,韩璧丞也谈到了当前技术面临的问题,一开始信号会非常精准,但是过了一段时间就会发现信号的各项指标急速衰减,因为大脑一旦识别到异物插入,会在上面产生一层保护性的结膜,这是人体非常强大的一个保护机制,但也会让插入的电极效果急速衰减。

 

同时,由于插入的电极是软性材料,插入位置不会很深,因此电极所能采集和干预的信号都在大脑皮层很浅的位置。韩璧丞说:“大脑就像个西瓜,你只能扎到西瓜皮里一点点,或者到西瓜皮和瓜瓤交界的地方,仅此而已,里面的瓜瓤有可能碰都碰不到。”

 

对于非侵入式脑机接口,韩璧丞认为技术的难点首先是信号采集,由于隔着头骨,采集的信号要比侵入式的弱很多。“在不开颅的情况下去听一个人的脑电波,好比在8万人的世界杯球赛场馆墙外去听主教练与别人说话的声音,中间需要过滤掉8万球迷的噪音。"比较下来,侵入式相当于把探头直接伸进球场去找主教练的声音,非侵入式就像在球场外拿着听诊器,要通过非常灵敏的传感器和算法去找到主教练的声音。如果主教练有口音,就得找到特定的频段,用某种算法去尾随这个信号,把其他信号过滤掉。

 

第二个难点与大脑的可塑性有关。因为非侵入式是一种集合的信号采集方式,所以它面临的是整个大脑实时信号的变化。考虑到大脑有1000亿个神经元,信号一直在变化。非侵入式脑机接口要对实时信号的变化做判断,这也是技术难点所在。

 

BrainCo于2021年完成脑机接口类的产品量产。从研发到量产,因为很难保证产品对每一个人都能进行很好的信号采集,导致一开始良品率较低,可以说整个过程极其艰难。"但最终我们成功了。"韩璧丞表示。

 

侵入式脑机接口在实验室里主攻的是解决更庞大的脑科学和神经科学的问题,比如癫痫、ALS、阿尔兹海默病、自闭症、抑郁症等疾病。马斯克在发布会上宣布脑机接口技术解决的也是严重功能性损伤的脑疾病。“过去三四十年里,有大量的实验室和医院证实了侵入式脑机接口技术可以解决这些脑疾病带来的问题,但是在脑结构领域,更长远的规划其实是对大脑信息的读取和与外界的交互。比如通过扫描直接采集大脑中的一些图景,或者通过意识控制去做非常复杂的对外信息的输出。"韩璧丞说。这一方法之前在实验室没有做成的原因主要是受制于硬件的水准。

 

值得注意的是,目前侵入式和非侵入式脑机接口的重点不在医术的改进,而在于脑电装置和设备的升级。比如Neuralink用了5年时间完成了之前侵入式脑机接口设备30年的探索,之前的设备有三个充电宝大小,而现在的设备只有一个硬币大小。"仪器升级的代价其实是非常大的,它是以数亿美元为单位去投入,接下来才会带来认知的升级。"韩璧丞说。

 

无论是Neuralink还是BrainCo,未来的目标都是要建立一个底层技术平台,但目前必须推动这些技术做出相关的应用。这就好比爱迪生在100多年前发现直流电后,很快先发明了灯泡,爱迪生的目的是让全世界知道电的作用。同样的,BrainCo将自闭症干预、睡眠改善和智能仿生手作为新技术率先应用的尝试。

 

自闭症,在医学上也被称为孤独症。2022年,中国妇幼保健协会联合国家孤独症康复研究中心等单位对外发布的《2021年度儿童发展障碍康复行业蓝皮书》(以下称《蓝皮书》)表明,孤独症的患病率仍呈现逐年增长态势,中国约有近300万孤独症谱系障碍儿童。通常医院只能测出孩子患有自闭症,但却是无药可治。脑机接口技术有望提高患者与人的交互反应。大量临床试验发现,人类大脑中有一种特殊的μ波,这是介于9~13赫兹的特殊波形,与人的社交功能相关,如果μ波调控得好,就会激发交流的意愿。“人脑的μ波是医疗研究中发现的,在以往治疗时,会给病人戴一个非常复杂的脑电设备,让病人自己看着波形,努力去调整。但现在可以通过脑机接口技术进行干预。”韩璧丞说。BrainCo研发的孤独症干预系统,便是结合了脑机接口技术、AI算法和可穿戴设备,对目标用户的社交脑活动进行实时的闭环反馈训练,促进神经可塑性,并提升行为训练效率。该系统在2022年登上了工信部人工智能医疗器械“揭榜挂帅”企业名单。

 

除此之外,BrainCo近期宣布其研发的智能仿生手获得了FDA(美国食品药品监督管理局)的上市批准,成为目前国内唯一一家获得FDA认证的脑机类产品。这款智能仿生手单次向上可以提起的重物最高可达10千克,拥有十个活动关节和六个驱动自由度,能够轻松比画出各种常用手势。另外,用户佩戴之后,仿生手可以通过提取手臂上微弱的肌电神经电信号,识别出佩戴者的运动意图,做到手随心动。仿生手的穿戴脱卸只需要几秒钟,充满电后可使用十小时以上,价格只有同类型智能假肢的五分之一,而在这一领域已经深耕六七十年的欧洲公司,其智能手还只能做开和闭这些简单动作。“这个产业是一个金矿,可能100年都挖不完,现在只是刚铲了一锹。”韩璧丞说。

 

本土企业总动员

 

2021年10月,陶虎创立了脑虎科技。目前脑虎科技的核心挑战是如何最大限度地利用大脑,同时将对大脑的损伤降到最低。"理论上插入电极越深入大脑,调节的信号越好,但这往往意味着需要做开颅手术,对患者损伤很大,这是做开发和应用时需要思考的问题。”陶虎说。

 

脑虎科技选择的是侵入式脑机接口。陶虎说:“大脑思考的方式是神经元放电,通过脑脊液、颅骨、头皮信号逐渐衰减。如果要连续读写,侵入式是很好的方式,但是伤害很大。”

 

近两年来,侵入式脑机接口领域主要有三大发展路线:硅基硬质电极系统、血管电极系统和柔性电极系统,但高通量、低创伤、长期在体是需要突破的三大技术。

 

作为硅基硬质电极系统的实验案例,2021年,《自然》杂志刊登了斯坦福大学的研究。实验中,在一位高位截瘫病人的大脑中插入100根钢针,让病人一分钟输入几十个单词。但这个方式的应用度和接受度非常狭窄,在大脑里的工作时间不会很长。

 

血管电极利用了血管支架的原理,马斯克在脑机接口领域的竞争者Synchron公司推出无需做开颅手术的脑机产品。它的外观像一个血管支架,能够通过微创手术被放置在大脑血管中,经过几天的细胞生长期,与大脑建立链接。在此前的小型人体试验中,接受植入的患者成功通过意念发布了一条推特:"你好,世界!"成为世界上首个通过意念发布推特的人类。

 

Neuralink 公司发布的脑机接口系统,采用的是柔性电极系统,向大脑中植入超细柔性电极来监测神经元活动。整个系统包含3000多个电极,它们与比头发丝还细的柔性细丝相连。这一方案采用了集成电路的方式。

 

陶虎认为,侵入式脑机接口的问题主要体现在两个方面:一是缺少足够的信号通道。1962年,人类有三个通道可以获取深部脑信号,到2021年马斯克开辟了1000个通道,60年间提升的速度并不快。摩尔定律是每18个月CPU速度提升一倍,但在脑机接口领域,每过70个月才提升一倍。陶虎说:"信号通道提升速度慢的原因是人们过往以医疗器械做脑机接口,没有以集成电路的先进工艺和思路做脑机接口。一旦更多人进入这一领域,后面它的提升速度将非常快。"

 

侵入式脑机接口的另一个问题是很难实际应用。举例来说,如果把100根钢针插进大脑,需要把这一区域的颅骨移开才能确定插进的位置。马斯克采用的柔性电极方案,对患者伤害虽然小,但是要把柔性电极插入大脑必须有辅助设备,依然要做大规模的开颅手术。

 

目前脑虎科技主要面向攻克三个领域:一是大规模集成电路制造技术;二是通过蚕丝蛋白生物材料调控力学性能,让该生物材料自溶解,避开在脑部开大孔;三是往超薄材料发展,插入电极从毫米级向微米级发展,比传统的医疗器械薄一千倍,让电极在体内的占比和造成的创伤尽可能小。

 

为此,脑虎科技引入光刻技术做脑机接口,这样在很小的空间里可以集成很多的通道,帮助实现了在多脑区探索大脑的可能性。同时,脑虎科技在做大脑的植入时,在柔性电极外包一层蚕丝蛋白,把柔性电极的硬度控制在比较硬的血管和脑组织之间,碰到较硬组织滑过去,如果没有碰到就滑入较软的血管。凭借这一技术,脑虎目前的颅骨开口可以小于0.5毫米,稍大于抽血针头(0.4毫米),而且可以盲插。对比下来,Neuralink的开口要超过2厘米。陶虎认为,未来这一技术可以在高位截瘫、抑郁症、自闭症、重症患者中尝试使用,通过脑机接口为病人做读写。

 

在陶虎看来,“大脑是宇宙里面最复杂的事物,脑虎科技所做的事情充满挑战。虽然不知道是否一定成功,但未来星河浩瀚。”

 

 

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