李靜雯 王秀梅

(中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所，北京 100191)

0 引言

腦機接口技術(Brain Computer Interface，BCI)是一種跨越生物本身的大腦信息傳輸通路，實現(xiàn)大腦與計算機等外部設備直接通信的技術。該技術能夠在人(或其他動物)與外部環(huán)境之間建立溝通以達到控制設備的目的，進而起到替代、修復、增強、補充或改善的作用[1]。

國內外專家一直致力于該領域技術的研究與探索，從國家政策層面來說，近年來各國都相繼提出了腦科學和類腦科學的發(fā)展戰(zhàn)略。從應用的角度，腦機接口技術能夠服務神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)癱瘓的患者(如腦、脊髓疾病、中風、外傷等)，同時也可以為健康人群提供更多感官體驗，為特殊環(huán)境工作人員提供輔助控制。本文從政策、技術層面總結分析腦機接口及其在醫(yī)療領域的應用、發(fā)展和挑戰(zhàn)，并提出相關建議。

1 腦計劃與腦機接口

探索人類大腦功能的奧秘一直是科研工作者孜孜不倦的追求，腦科學是人類認知自己、探索自身的關鍵突破點，有著重要的科研價值和戰(zhàn)略意義。腦科學研究主要側重于腦疾病防治研究、腦機接口研究和類腦智能研究3個領域。隨著人工智能和信息科學的迅速發(fā)展，特別是2013年以來從國家層面相繼提出基于腦科學、神經(jīng)科學和信息科學相結合的人類腦計劃。

建立大腦結構圖譜、研發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡電活動記錄和調控工具、了解神經(jīng)元活動與個體行為的聯(lián)系、解析人腦成像基本機制、建立人腦數(shù)據(jù)采集的機制，上述研究領域與腦機接口技術息息相關，或依賴腦機接口設備采集信息，或作為腦機接口技術的研究內容。2016年，美國國家衛(wèi)生研究院(NIH)宣布第三輪支持“通過推進創(chuàng)新神經(jīng)元技術開展大腦研究”計劃的研究資助項目，其中創(chuàng)建基于微小電傳感器的神經(jīng)末梢系統(tǒng)無線記錄大腦活動以改善中風患者的康復技術也同樣涉及腦機接口技術。此外，美國國防部高級研究項目局(DARPA)2016年初更明確提出開發(fā)可植入式腦機芯片，研究神經(jīng)接口系統(tǒng)。

2013年，規(guī)劃周期為10年的歐盟腦計劃[3]，包含12個子項目，側重研究超級計算機技術來模擬腦功能。該項目重點發(fā)展人腦信息和計算技術，收集并分析人腦數(shù)據(jù)，搭建仿神經(jīng)計算平臺，腦機接口技術作為大腦和計算機等外部設備溝通的橋梁，可在上述領域大展身手。除美國、歐盟外，日本、韓國、加拿大、澳大利亞等也紛紛出臺各自的腦計劃，探索腦認知、腦融合等領域。

我國同樣非常重視腦科學與類腦研究，并將其上升為國家戰(zhàn)略。中國腦計劃自2016年啟動，2017年4部委聯(lián)合印發(fā)《“十三五”國家基礎研究專項規(guī)劃》明確提出了腦與認知、腦機智能、腦的健康3個核心問題。作為“一體兩翼”布局的其中“一翼”，腦機智能的關鍵技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展備受重視。

2 腦機接口技術

腦機接口是一項門檻高、要求復雜的系統(tǒng)性工程，涉及神經(jīng)科學、認知科學、材料科學、電子工程、人工智能等多個學科，科研價值重大，應用前景廣泛。

2.1 腦機接口系統(tǒng)

腦機接口系統(tǒng)從大腦皮層采集信號，并轉換為可以被計算機識別的信號，提取信號特征、識別并轉化為對外部設備的控制指令，實現(xiàn)對外部設備的控制。具體來說，該系統(tǒng)主要包括4個環(huán)節(jié)。

(1)信號采集：采集大腦活動信號，可通過侵入式的微電極、探針等設備從大腦皮層直接采集，也可采用非侵入式設備(腦電帽等)通過頭皮獲取。

(2)信號處理：將獲取的大腦活動信號經(jīng)過放大、濾波、轉換等預處理環(huán)節(jié)后，可轉為數(shù)字信號被計算機等外部設備識別。信號預處理可有效減少腦電信號中的噪聲、眼電、心電、肌電等其它信號的干擾。進而采用特征提取算法提取信號特征并分類(可采用支持向量機、深度學習等方法)，以識別不同的大腦活動信號。

(3)控制：將信號處理后的信息編碼并轉化為控制外部設備的具體指令，實現(xiàn)對外部設備的控制。

(4)反饋：獲得環(huán)境反饋信息后再作用于大腦。

2.2 腦機接口技術的分類

依據(jù)信號采集方式，分為侵入式和非侵入式。侵入式腦機接口需要采用腦外科手術方法將信號采集電極植入大腦皮層，該方法采集的腦電信號精度高、噪聲小，但是屬有創(chuàng)傷植入因此存在一定的安全風險；非侵入式腦機接口通過附著在頭皮上的穿戴設備測量頭皮表面的腦電信號，具有易采集、無創(chuàng)性等優(yōu)點，但是信號噪聲較大。

現(xiàn)今可采集到用于腦機接口設備的腦信號主要有腦電(EEG)、功能性近紅外光譜(fNIRS)、腦磁(MEG)、功能性磁共振成像(FMRI)等。相比于其他幾種腦信號，基于腦電的腦機接口是目前的研究主流。腦電信號是人腦在特定的外部刺激或思維下產(chǎn)生的、具有一定時間或頻率特征的信號，常見有P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位和運動想象3種。P300是一種事件相關電位，科學證實當人腦受到外界某種刺激后300 ms腦電信號會出現(xiàn)一個波峰。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)是當人眼視網(wǎng)膜受到恒定頻率的閃光或圖形刺激時，大腦視覺皮層會自動產(chǎn)生可記錄到的電位變化，該變化與刺激頻率及其諧波頻率一致。運動想象(Motor Imagery，MI)是指當人腦想象諸如手、四肢等肢體運動時，大腦皮層的對應區(qū)域腦電信號會變得活躍，這種現(xiàn)象被稱為事件相關去同步。基于運動想象的腦機接口系統(tǒng)可應用于假肢、輪椅等操控和腦卒中患者的神經(jīng)康復。

3 腦機接口技術在醫(yī)療領域的應用

由于腦機接口技術可以直接實現(xiàn)大腦與外部設備的交互，跨越常規(guī)的大腦信息輸出通路，因此在醫(yī)療領域有廣闊的應用前景。腦機接口系統(tǒng)的輸出可取代由于損傷或疾病而喪失的自然輸出，有助于神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)癱瘓患者表達自己意愿和康復訓練。本章節(jié)將分析腦機接口在肢體運動障礙、慢性意識障礙、精神疾病3個主要領域的應用。

3.1 腦機接口技術在肢體運動障礙診療中的應用

導致肢體運動障礙的疾病很多，腦出血、腦外傷、腦卒中等疾病都可導致患側腦區(qū)對應的肢體控制出現(xiàn)障礙。運動神經(jīng)元受損導致的肌萎縮側索硬化癥(漸凍癥)可導致患者肌肉萎縮無力導致嚴重的運動障礙。此外，脊髓損傷等也會影響患者的肢體活動。腦機接口技術在肢體運動障礙診療的目標是通過該技術的輔助治療，使患者改善當前狀態(tài)，提高生活質量。

具體來說，腦機接口技術在肢體運動障礙診療的應用方式主要有兩種，一種是輔助性腦機接口，指通過腦機接口設備獲取患者的運動意圖，實現(xiàn)對假肢或外骨骼等外部設備的控制。例如，Yahud[4]研制的16個自由度的腦機接口機械手，能夠實現(xiàn)抓握圓柱體、捏鑰匙、手指夾取紙片等動作。程明[5]搭建了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)的腦機接口系統(tǒng)，使假肢能依據(jù)使用者指令完成倒水的全過程。第二種是康復性腦機接口，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)具備可塑性，經(jīng)過重復性反饋剌激，可以增強神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，實現(xiàn)修復。例如，意大利PERCRO實驗室[6]通過基于運動想象的腦機接口設備觸發(fā)上肢機器人外骨骼，輔助中風患者進行抓握和釋放，幫助肢體康復。李明愛團隊[7]研制了采用運動想象控制的腦機上肢運動康復系統(tǒng)，可完成手臂伸屈動作[8]。

3.2 腦機接口技術在慢性意識障礙診療中的應用

慢性意識障礙包括持續(xù)性植物狀態(tài)和微意識狀態(tài)兩個層次。慢性意識障礙患者由于常處于無法交流的狀態(tài)，因此常常被延誤治療，甚至誤診，錯失了最佳的康復機會。近幾年，腦機接口技術在慢性意識障礙診療領域的研究開始逐漸增多。通過腦機接口設備獲取并分析患者的腦電信號，可以掌握患者的意識狀態(tài)，實現(xiàn)意識障礙診斷與評定、預后判斷，甚至與意識障礙患者實現(xiàn)交流。具體來說，通常采用患者自己的名字、照片等信息，通過聲音、圖像、觸覺等作為靶刺激[9-10]，腦機接口設備獲取患者受到靶刺激后的腦電信號，分析患者狀態(tài)，部分患者可能對刺激有所反應，這種“腦電交流”有助于醫(yī)生判別患者是否有喚醒康復的可能，有針對性的采取治療措施。

3.3 腦機接口技術在精神疾病診療中的應用

相比于其他生理信號，腦電信號可以提供更多深入、真實的情感信息。通過學習算法，提取腦電信號特征，可以實現(xiàn)多種情緒(諸如愉悅、悲傷、平靜、憤怒、害怕、驚訝、生氣等)的判別分析。因此，基于腦電信號的情感識別研究可用于輔助抑郁癥、自閉癥等精神類疾病發(fā)病機制的研究和治療。此外，在精神疾病康復治療方面，基于腦機接口的神經(jīng)反饋訓練可在自閉癥、多動癥、抑郁癥等治療中發(fā)揮積極作用。由于腦機接口技術在該領域的巨大潛力，許多科研機構和科技公司都在開展相關研究，例如埃隆·馬斯克(Elon Musk)的腦機接口研究公司Neuralink也正在探索通過該技術解決自閉癥、精神分裂癥和記憶力喪失等相關精神疾病。

4 腦機接口技術在醫(yī)療領域的發(fā)展與挑戰(zhàn)

4.1 腦機接口技術在醫(yī)療領域的現(xiàn)狀

4.1.1 科研院所為主，側重非侵入式腦機接口研究

目前，隨著關注度的步步升溫，腦機接口技術也逐漸走進大家的視野。圖1給出了主要的腦機接口技術研究機構和高科技企業(yè)。腦機接口技術涉及多學科交叉融合，目前研究者以科研院所和高校為主，從公司的角度，因其研發(fā)成本高、專業(yè)人才缺乏、盈利模式不明等諸多原因，相比其它人工智能產(chǎn)品，只有少數(shù)公司涉足這一領域。同時，相比于非侵入式腦機接口領域的蓬勃發(fā)展，因受到技術、倫理等多重限制，國內外僅有加州大學、斯坦福大學、浙江大學等少數(shù)高校和Neuralink、Neuropace等少數(shù)高科技企業(yè)在侵入式腦機接口領域有所投入。

圖1 腦機接口主要研究機構和企業(yè)

與國外腦機接口技術發(fā)展現(xiàn)狀相比，我國在相關軟件，特別是算法層面，已與國際研究水平同步，部分領域處于國際領先地位。但硬件(包括設備、材料、芯片等)研發(fā)還尚需加強，部分存在“卡脖子”問題。

4.1.2 成熟產(chǎn)品少，臨床應用有限

腦機接口技術在醫(yī)療應用中，也涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的科研成果，而科研成果產(chǎn)品化獲得臨床應用是發(fā)展的最終目標。作為新型人工智能醫(yī)療器械，通過國家相關機構的審評認證是不可或缺的。

作為新型產(chǎn)業(yè)，醫(yī)療人工智能蓬勃發(fā)展，在保障醫(yī)療器械安全性、功能性的同時，各國一直在不斷完善相關政策，以推動人工智能在醫(yī)療行業(yè)的快速落地與應用。2017年，美國食品藥品管理局(FDA)發(fā)布數(shù)字健康創(chuàng)新行動計劃(Digital Health Innovation Action Plan)，對醫(yī)療器械軟件提出新的審批標準，以避免傳統(tǒng)繁瑣的審核流程。我國國家藥監(jiān)局開辟“創(chuàng)新醫(yī)療器械綠色通道”，并頒布多項措施，成立人工智能醫(yī)療器械創(chuàng)新合作平臺，以加強監(jiān)管，加快審批流程，不斷完善行業(yè)標準，加速人工智能醫(yī)療產(chǎn)品的上市進度。

目前，與人工智能輔助診斷、智能醫(yī)療機器人等應用領域相比，腦機接口產(chǎn)品通過相關機構認證的數(shù)量屈指可數(shù)。在美國，作為專注于侵入式腦機接口研究的科技公司，BrainGate致力于針對中風、漸凍癥等疾病的腦機接口設備研究，研發(fā)了目前市面上首家被FDA批準的用于人體實驗的大腦皮層植入式電極。埃隆·馬斯克(Elon Musk)創(chuàng)立的腦機接口技術公司Neuralink，目前已獲FDA認證進行人腦實驗，未來產(chǎn)品可治療重度抑郁、阿爾茨海默癥等疾病。在我國，天津大學神經(jīng)工程團隊設計的新型卒中人工神經(jīng)康復機器人系統(tǒng)通過國家食品藥品監(jiān)督管理局(CFDA)檢測，在多地醫(yī)院臨床測試。

從產(chǎn)品的成熟度來看，腦機接口技術處于初級階段，未來尚需更加完善的制度和標準來規(guī)范產(chǎn)品上市進程，對產(chǎn)品的安全性、有效性進行合理全面的認證。

4.2 腦機接口技術在醫(yī)療領域的挑戰(zhàn)

腦機接口技術在醫(yī)療領域研究價值重大，應用領域廣泛，但其研發(fā)成本高、周期長，技術成熟度和產(chǎn)品化程度低，技術發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。首先從科學技術的角度，在醫(yī)學上神經(jīng)元數(shù)量龐大且復雜，當前對大腦反饋刺激、大腦工作機制的研究十分有限；在技術上當前腦機接口信號識別精度低，信號處理和信息轉換速度慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應性較差，信號采集和處理方法尚需改進；從安全和倫理的角度，包括黑客攻擊、意念控制、數(shù)據(jù)竊取等隱私泄露風險存在，特別是侵入式設備還存在植入人體的過程可能對人體的大腦組織造成創(chuàng)傷和感染。還有很重要的一點，當前尚無統(tǒng)一的腦機接口基礎理論框架，缺乏能對腦機接口系統(tǒng)的性能進行科學評價的評價標準。

4.3 腦機接口技術在醫(yī)療領域的發(fā)展建議

通過以上現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)可以看出，腦機接口技術還處于研究階段，在醫(yī)療領域距離臨床應用要求還有較大的差距，產(chǎn)品的有效性和安全性認證也缺乏統(tǒng)一標準?；诖?，腦機接口技術可從如下幾方面發(fā)展探索：首先從科學研究的角度，重視腦科學研究，從醫(yī)學角度對大腦結構、功能和工作機制進行更深層次的探索。加強人工智能、材料科學、半導體技術等相關領域的科研投入，為技術提供更多的理論和支持；此外，現(xiàn)有腦機接口技術主要關注在所謂的“讀數(shù)據(jù)”即單向讀取大腦信息，未來“寫數(shù)據(jù)”即給大腦輸入信息或成為另一個研究熱點；其次，從技術創(chuàng)新的角度，研發(fā)高精度的信號采集分析設備、高性能芯片等腦機接口設備所需的關鍵設備，從需求出發(fā)，各個擊破，開發(fā)出符合臨床需求的可靠產(chǎn)品；從安全和倫理的角度，設備安全問題、個人隱私安全問題、知情和同意權問題、自主性和責任歸屬問題，以及使用腦機接口設備獲取某種“能力”之后可能引起的社會公平公正問題都需要盡早正視、認真對待。還有很重要的一點，在隨著技術不斷進步的同時，政府、相關行業(yè)組織需加強監(jiān)管，提供政策指引并建立一套統(tǒng)一的評價標準體系，重視管控制度的建立與完善，保障腦機接口技術在研發(fā)、使用及普及過程中每一個重要環(huán)節(jié)。

5 結束語

《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二0三五年遠景目標的建議》指出，“瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目?！蹦X機接口技術作為腦科學、人工智能等多學科交叉的前沿技術，在醫(yī)療領域具備廣闊的研究和應用前景。現(xiàn)今應抓住機遇迎接挑戰(zhàn)，從技術產(chǎn)品研發(fā)、標準機制創(chuàng)建、政策牽引等層面全面推進腦機接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。