王凌霞 溫曉君

腦機接口是一種不依賴于正常的由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通信系統(tǒng)，目的是使人類可以直接通過腦來表達(dá)想法或操縱設(shè)備。2019年7月21日，馬斯克旗下Neuralink公司發(fā)布了最新的侵入式腦機接口方案，包括新的柔性復(fù)合材料電極、神經(jīng)手術(shù)機器人、電子元件、腦機接口算法等，可以得到更多腦皮層信息并顯著減小腦損傷，同時簡化了腦機接口的設(shè)計。此次發(fā)布標(biāo)志著腦機接口技術(shù)的進(jìn)步，未來腦機接口應(yīng)用于生活將變得更有可能。

背景

腦機接口技術(shù)受到科技界的廣泛關(guān)注。近年來隨著神經(jīng)科學(xué)、計算機技術(shù)等飛速發(fā)展，腦機接口成為新的研究熱點。研究者圍繞如何記錄神經(jīng)元信息和刺激神經(jīng)元，采用非侵入式和侵入式兩種路徑分別開展研究。

在非侵入式領(lǐng)域，美國卡耐基梅隆大學(xué)團隊開發(fā)出一種能讓人用意念操控機械臂的無創(chuàng)腦機接口。BrainCo公司2019年1月發(fā)布Focus賦思頭環(huán)、Focus Fit冥想頭環(huán)、第五代人工智能假手BrainRobotics三件新產(chǎn)品。最近，F(xiàn)acebook發(fā)布了腦機接口研究成果，通過脈搏血氧儀檢測神經(jīng)元的氧氣消耗，實時檢測大腦活動中的預(yù)期語音，實現(xiàn)意念打字。

在侵入式領(lǐng)域，科學(xué)家們很早就展開了腦部植入的測試，使患者可以移動光標(biāo)或者機器手臂。人造耳蝸、人造視網(wǎng)膜等腦機接口產(chǎn)品在幫助殘疾人恢復(fù)受損能力方面起到了積極作用。馬斯克2017年宣布成立腦機接口創(chuàng)業(yè)公司NeuraLink，更加引發(fā)了公眾對腦機接口的濃厚興趣。

腦機接口技術(shù)目前還處于早期或?qū)嶒炇译A段。雖然腦機接口領(lǐng)域有了很多研究進(jìn)展，但還遠(yuǎn)未達(dá)到公眾想象或期待的程度。

一方面，如何采集大腦信號是首要的難題。大腦有850億個神經(jīng)元，神經(jīng)元發(fā)出的腦信號傳到頭皮時已經(jīng)嚴(yán)重衰減且相互混雜。腦電圖、功能磁共振成像等非侵入模式很難清楚地采集腦信號，例如腦電圖的空間分辨率只有一厘米左右，一厘米以內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞活動無法區(qū)分。相對而言，腦皮層電圖描記法、局部場電位等侵入模式獲取腦信號精度高，但會帶來嚴(yán)重的手術(shù)創(chuàng)傷，難以開展人體實驗和走入日常應(yīng)用。

另一方面，人類對于大腦的了解僅限于圖層識別、語音識別等基本的信息處理，還未能破譯思考、 推理等復(fù)雜的腦電信號，即使收集到大腦信號也不一定可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機器指令。例如在意念操控機械臂的實驗中，操作人員需要進(jìn)行特殊的運動想象訓(xùn)練，才能使大腦發(fā)出可以被機器收集并識別的信號。

案例介紹

事件經(jīng)過。2019年7月21日，馬斯克和Neuralink公司團隊發(fā)布了其最新的腦機接口方案，旨在設(shè)計一個安全的、微型的、能在大腦中實用的接口。

本次新推出的神經(jīng)手術(shù)機器人使用激光在頭骨上鉆孔，每分鐘可以將六根超薄的精密柔性聚合物電極線準(zhǔn)確插入大腦目標(biāo)位置，盡可能減少損害。電極線上有一系列微小電極和傳感器，寬度大約是4到6微米，比人類發(fā)絲還要細(xì)，可以大規(guī)模傳輸神經(jīng)元活動數(shù)據(jù)。新型電子元件可將電極線收集到的大腦信號進(jìn)行濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈沖檢測等處理。此外，該系統(tǒng)還包括一個能夠更好地讀取、清理和放大腦信號的定制芯片。

目前，Neuralink正在動物身上測試這種技術(shù)的穩(wěn)定性，在老鼠頭部植入的腦機接口含有1500個電極，數(shù)量上是現(xiàn)有人機接口技術(shù)的15倍。

后續(xù)發(fā)展。Neuralin考慮將所有電極線連接到一個可以戴于耳后的腦波發(fā)射器上，通過無線系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并以激光射線代替鉆孔來穿透頭骨。此項技術(shù)最快將于2020年底在人類癱瘓志愿者身上測試，如果可行，該技術(shù)將有望創(chuàng)造一個通過機器人手術(shù)植入的高帶寬腦機接口，幫助截癱病人控制手機或電腦。

后續(xù)，Neuralink計劃為腦機接口尋找更多應(yīng)用場景，并向醫(yī)療領(lǐng)域推廣和申請FDA批準(zhǔn)。馬斯克和Neuralink的長遠(yuǎn)目標(biāo)是讓腦機接口面向健康大眾，幫助人類靠大腦來操控機器，以實現(xiàn)人類跟人工智能的共生。

簡評

腦機接口實用還需要解決很多問題。首先，安全、易用的腦機接口需要內(nèi)置電極的高可靠性和安全性。Neuralink的新型超薄柔性電極持續(xù)時間更長、置入時損傷更小，然而電極還是會引發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)增生等組織損傷，且電極在人腦生物環(huán)境中的持久穩(wěn)定性仍然需要不斷驗證。其次，在人體試驗前，需要測試動物在一定時間對不同電極材料的反應(yīng)情況，不管如何加大投入也無法加速這一過程，而尋找大量的人體測試志愿者也并非易事。最后，腦機接口作為交叉研究領(lǐng)域，依賴于相關(guān)科學(xué)特別是神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)的研究進(jìn)展，如果不能很好地破解大腦信號密碼，即使Neuralink的腦機接口研究完備，單純的神經(jīng)元記錄數(shù)量提升并不能直接改善腦機接口的性能。

此外，馬斯克和Neuralink公司的長遠(yuǎn)目標(biāo)是讓腦機接口不僅面向嚴(yán)重疾病患者，還要面向所有人類，為了一款產(chǎn)品去做開顱手術(shù)，即使手術(shù)創(chuàng)傷再小，也將帶來很大爭議。

腦機接口技術(shù)未來將在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。Neuralink腦機接口新技術(shù)的發(fā)布標(biāo)志著該技術(shù)距離人們的生活又近了一 步，未來腦機接口相關(guān)技術(shù)將在涉及人腦的各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。腦機接口技術(shù)最令人期待的是在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用?？梢杂行еС质セ顒幽芰颊叩妮o助治療，幫助其恢復(fù)語言功能、行為能力，例如使語言功能喪失患者直接與外界交流，或者使四肢完全喪失功能的患者能夠在無人照看的情況下自己操作輪椅等設(shè)備，幫助漸凍癥、中風(fēng)等患者過上正常人的生活。

除了醫(yī)療領(lǐng)域，理論上，腦機接口可以創(chuàng)造最有效的人機交互模式。未來腦機接口將改變?nèi)祟惒僮鳈C器的方式，例如幫助人類在特殊環(huán)境中控制外部設(shè)備，實現(xiàn)只需要大腦活動的無人駕駛技術(shù)，還可以極大地改進(jìn)人們的娛樂方式。