陶愷

2021年5月20日，美國匹茲堡大學(xué)，癱瘓人士參與腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目

想象這樣一種未來：無需動(dòng)身，通過一根線纜連接大腦，就能肆意地在數(shù)字世界里遨游；不必真的做出動(dòng)作，只在大腦中“想一想”，就能指揮機(jī)械臂控制物體；甚至，對(duì)于因疾病失去光明、無法行走的視力、肢體殘障人士來說，還有機(jī)會(huì)重見光明、重新行走……

這個(gè)“未來”正隨著科技的進(jìn)步逐漸靠近我們的生活，這項(xiàng)被稱作“腦機(jī)接口”的技術(shù)，正讓上述這些不可思議慢慢變成可以期待的現(xiàn)實(shí)。

今年，對(duì)腦機(jī)接口的研究、實(shí)踐頻頻傳來好消息。5月初，我國科學(xué)家在南開大學(xué)教授段峰團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，成功實(shí)現(xiàn)了全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物對(duì)機(jī)械臂的主動(dòng)控制；25日，埃隆·馬斯克旗下的腦機(jī)接口公司Neuralink在社交網(wǎng)站上發(fā)布帖文，表示已經(jīng)獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)，可以進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)了。

對(duì)腦機(jī)接口的深入探尋，對(duì)“科技改變命運(yùn)”的追索，正在讓諸多“魔幻”成為可能。

“腦”“機(jī)”接口

腦機(jī)接口，顧名思義，是人或動(dòng)物的大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備之間，用電路、硅芯片或其他外部設(shè)備作為“接口”，對(duì)大腦信息進(jìn)行輸出、執(zhí)行。

人的大腦結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。除了我們能夠摸得到的頭發(fā)、頭皮和存在感很強(qiáng)的顱骨之外，還有硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、軟腦膜這樣的薄膜組織以及最重要的大腦皮質(zhì)層，它們被分為多個(gè)區(qū)域，有的負(fù)責(zé)處理運(yùn)動(dòng)，有的負(fù)責(zé)處理聽覺、視覺，有的負(fù)責(zé)處理感官，有的負(fù)責(zé)語言、思考……腦機(jī)接口技術(shù)，便是通過獲取這些不同區(qū)域大腦皮質(zhì)層發(fā)出的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)處理后實(shí)現(xiàn)的。

我國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)

一只猴子用大腦控制在1分鐘內(nèi)打出了12個(gè)單詞—“To be or not to be，that is the question”

一般情況下，腦機(jī)接口技術(shù)首先通過信號(hào)采集設(shè)備將大腦皮層中的信號(hào)放大、轉(zhuǎn)化，收集盡可能多的、有用的信息，再進(jìn)一步進(jìn)行信息分析，處理信號(hào)中出現(xiàn)的干擾。比如采集環(huán)境中的電磁干擾、被采集者的眼動(dòng)偽跡等等。最后，將分析后的信息進(jìn)行再編碼，“翻譯”成計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備能夠讀取的語言。

例如，如果想要通過腦機(jī)接口控制機(jī)械臂為自己“隔空取物”，在采集信息、處理信號(hào)之后，就要將其編碼為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)程序，這樣，機(jī)械臂才能既識(shí)別、執(zhí)行人類大腦中的“拿起”信號(hào)，又可以準(zhǔn)確進(jìn)行移動(dòng)、用合適的力度“拿捏”物品，完成“心手合一”的理想狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的完美操作，信號(hào)采集的準(zhǔn)確與否是成功的基石。不過，和科幻電影中展現(xiàn)的“腦后微創(chuàng)植入芯片”的平靜場景不同，真實(shí)世界的腦機(jī)接口有非侵入式、侵入式和半侵入式三種方式，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)和短板。

非侵入式只需要“戴個(gè)帽子”就好，可以避免對(duì)被采集者肉身造成的傷害，但因?yàn)楦糁B骨，這頂“帽子”能夠接收和記錄到的信號(hào)強(qiáng)度、分辨率都不算太高，有時(shí)甚至無法確定是哪塊區(qū)域在“放電”。此外，這對(duì)被采集者的專注、思考的方式也提出了很多要求，需要進(jìn)行大量額外的專業(yè)訓(xùn)練。

侵入式則是進(jìn)行一場并不平靜的“開顱手術(shù)”，將電極直接植入大腦皮質(zhì)層，如此能夠一步到位獲得高質(zhì)量的信號(hào)，但也會(huì)對(duì)被采集者造成諸多難以預(yù)估的傷害。

半侵入式則取上述二者的“中間態(tài)”，將接口植入顱腔與大腦皮質(zhì)層之間，信號(hào)比非侵入式好一些、傷害又較侵入式淺一些。

尋找“微創(chuàng)”

不要小看這些進(jìn)退兩難的技術(shù)拉扯。自1924年，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現(xiàn)了腦電波的存在，進(jìn)而發(fā)覺腦中的“意識(shí)”可以轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)、被外部設(shè)備讀取之后，腦機(jī)接口技術(shù)從猴子實(shí)驗(yàn)開始，不斷突破人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的想象。

1969年，研究員將猴子大腦中的神經(jīng)元與一個(gè)儀表盤連接，如果猴子能用“思考”的方式讓儀表盤指針隔空轉(zhuǎn)動(dòng)，它就可以得到食物獎(jiǎng)勵(lì)—在獎(jiǎng)勵(lì)之下，這只猴子學(xué)會(huì)了如何控制神經(jīng)元“發(fā)作”，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)儀表盤指針，這讓人們對(duì)腦機(jī)接口的想象有了靈長類動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

到了2016年9月，斯坦福大學(xué)神經(jīng)修復(fù)植入體實(shí)驗(yàn)室的研究員們?yōu)閮芍缓镒又踩肽X機(jī)接口，通過訓(xùn)練，其中一只猴子用大腦控制在1分鐘內(nèi)打出了12個(gè)單詞—“To be or not to be，that is the question”，科幻敘事感十足。今年，中國科學(xué)家的突破又讓猴子可以通過腦機(jī)接口自主控制機(jī)械臂。

除了從簡單的轉(zhuǎn)動(dòng)到能夠“說話”和“行動(dòng)”的進(jìn)步，各國研究者也在盡力破解腦機(jī)接口采集信息過程中的“進(jìn)退兩難”：如何盡可能微創(chuàng)地獲取更多的精確信息。

馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink發(fā)布最新猴腦芯片的實(shí)驗(yàn)視頻

腦機(jī)接口的每一次進(jìn)步，意味著許多困于肉身疾病桎梏的人新增一絲希望。

2019年7月，馬斯克曾召開發(fā)布會(huì)，宣布自己的腦機(jī)接口公司Neuralink找到了更高效、微創(chuàng)的接口方法：用一臺(tái)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人在28平方毫米的腦部面積上植入96根4-6微米的細(xì)線—雖然單位是微米，但這96根細(xì)線共有3072個(gè)電極。植入后，通過USB—C接口，就能輕松讀取收集到的大腦信號(hào)。與此前的侵入式、半侵入式相比，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)大腦的損害更小，一次性能夠傳輸?shù)木珳?zhǔn)數(shù)據(jù)也更多。

5月初中國科學(xué)家完成的試驗(yàn)中，更是通過介入手術(shù)的方式，將介入腦電傳感器貼附在猴子的腦血管壁上。這樣，無需進(jìn)行開顱手術(shù)，便能夠精準(zhǔn)采集到顱內(nèi)腦電信號(hào)，較2019年馬斯克公司植入多根細(xì)線的方式也更為便捷，對(duì)介入式腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室向臨床應(yīng)用邁出了重要的一步。

超越肉身

如此頗費(fèi)周章地為盡可能的微創(chuàng)想盡辦法，如此真摯地為“批準(zhǔn)人體實(shí)驗(yàn)”感到欣喜，是因?yàn)槟X機(jī)接口聽來炫酷，看起來屬于科幻與未來，但回歸技術(shù)的本質(zhì)，腦機(jī)接口的每一次進(jìn)步，意味著許多困于肉身疾病桎梏的人新增一絲希望。

1978年，視覺腦機(jī)接口為一名盲人在視覺皮層植入68個(gè)電極，通過連接一臺(tái)采集視頻的攝像機(jī)及配套信號(hào)處理裝置，他能夠在一小塊視野內(nèi)看到低分辨率、低刷新率的點(diǎn)陣圖像。雖然彼時(shí)開顱手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)極高、“看到”的影像視野、真度都有限，但無論如何，腦機(jī)接口為盲人黑暗的生活帶來了光明。

2016年10月8日，世界第一屆Cybathlon半機(jī)械人運(yùn)動(dòng)會(huì)在瑞士蘇黎世舉行

2005年，運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口用侵入式的方式為一名四肢癱瘓的患者在運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)應(yīng)手臂、手掌的區(qū)域植入96個(gè)電極，他可以通過“想一想”的方式完成操縱電腦光標(biāo)等活動(dòng)。

在本來需要健全體魄的運(yùn)動(dòng)競技場上，腦機(jī)接口也在逐漸實(shí)現(xiàn)肢體殘障人士運(yùn)動(dòng)、奔跑的愿望。

2012年，巴西世界杯上，身著“機(jī)器戰(zhàn)甲”的截肢殘障人士，用腦機(jī)接口配合機(jī)械外骨骼踢出第一球；2016年，世界第一屆Cybathlon半機(jī)械人運(yùn)動(dòng)會(huì)舉行，殘疾人運(yùn)動(dòng)員通過腦機(jī)接口技術(shù)完成動(dòng)力假肢競賽、外骨骼驅(qū)動(dòng)競賽、腦機(jī)交互競賽等比賽；同年10月，一名癱瘓人士利用腦機(jī)接口操縱機(jī)械手臂與時(shí)任美國總統(tǒng)奧巴馬進(jìn)行了“握手”—癱瘓的病人首次借助腦機(jī)接口恢復(fù)了知覺。

今年，在馬斯克的腦機(jī)接口公司獲得人體實(shí)驗(yàn)資格前，一家總部位于猶他州鹽湖城的腦機(jī)接口公司通過招募志愿者的方式獲得了50名有肢體損傷、神經(jīng)損傷的患者。其中，一名20年前不幸遭遇車禍、嚴(yán)重脊柱損傷的患者不僅通過腦接口技術(shù)完成了控制機(jī)械臂的動(dòng)作，還在植入物的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)了“通過皮質(zhì)內(nèi)微刺激的感覺反饋”。

植入腦芯片、穿戴“機(jī)器戰(zhàn)甲”的時(shí)候，這些被殘破肉身困住的人，終于有機(jī)會(huì)借助科技的力量沖破無形束縛著自己的牢籠。

除了替肢體殘缺者“插上翅膀”，腦機(jī)接口也可以用于治療那些看不見摸不著的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，比如癲癇、抑郁癥甚至帕金森病。以植入芯片、電極的方式，刺激調(diào)節(jié)大腦的特定區(qū)域?qū)颊叩陌Y狀進(jìn)行改善。今年3月，我國福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院為一名35歲的癲癇患者完成了一例基于腦機(jī)接口的“閉環(huán)自響應(yīng)神經(jīng)刺激系統(tǒng)植入手術(shù)”。通過后續(xù)治療及訓(xùn)練，這名患者將有可能徹底告別癲癇對(duì)自己人生的纏繞，擁有普通而正常的生活。

面對(duì)未知的疾病、精細(xì)繁雜的人體結(jié)構(gòu)、不可預(yù)測的未來，人類的肉身終究是脆弱的。但包括腦機(jī)接口技術(shù)在內(nèi)的科技，正在世界各國研究者的努力下踽踽前行，用知識(shí)與智慧做一件應(yīng)付龐雜情況的“戰(zhàn)甲”，讓渺小的肉身能有尊嚴(yán)、有質(zhì)量地走向光明的未來。

特約編輯姜雯 jw@nfcmag.com