脑机接口的现状和未来

脑机接口的现状和未来

追求“蝴蝶一样自由的思维”，甚至是所谓“永生”，是人类美好的梦想。站在神经科学和神经工程的角度，今天我们离这个目标还很遥远，根本的问题在于我们对大脑的工作机制，特别是信息编码的规律知之甚少。

想象一下，如果有一天你醒来发现全身动弹不得，只能眨眨眼，你会怎么办？

电影《潜水钟与蝴蝶》中的拼字板

其实像鲍比这样思维被封闭在瘫痪身体中的病人不在少数，著名物理学家霍金就是类似的症状，他患有肌萎缩性脊髓侧锁硬化症（ALS），也就是2014年夏天流行的“冰桶挑战”提醒公众关注的“神经渐冻症”。中国有一位年轻的神经渐冻症病人王甲，他也用“眨眼睛”的方式写了本书《人生没有假如》。“神经渐冻症”的发病原因还没有研究清楚，目前也没有治疗和康复的办法。病人在发病初期出现肌肉无力萎缩的症状，随着病程发展，逐渐失去运动、说话和吞咽能力，甚至需要呼吸机帮助呼吸。高位截瘫、重症肌无力等疾病也会带来运动和沟通的困难，他们同样需要脑机接口的帮助。

用思维控制幻灯片播放

Albany山谷里的较量

2005年左右，脑机接口研究重新成为生物医学工程的研究热点。那年夏天在美国纽约州Albany的一个山谷里召开了一次脑机接口国际会议，参加人数超过百人。因为在会前的脑机接口数据分析竞赛中，清华大学的小组获得了非常突出的成绩，我随同高上凯、高小榕两位教授一起参加了这次会议。这次会议集中了世界上最早一批进入脑机接口领域的研究者，他们对发现新的脑电诱发方法，开发脑电信号处理方法等等都有独到的创新。

无创脑机接口：帮你“心想事成”的脑电帽

脑电产生的原理

那么，为什么Albany脑机接口大会上还有那么多人研究基于脑电的脑机接口呢？当然是因为它没有创伤，正常人也可以用。如果你能设计出精巧的视觉或听觉刺激，能让脑机接口的使用者把自己的“简单思维”通过注意力或者想象机制加载到自己的脑电波上，你就可以分析使用者的脑电波，提取出他的“简单思维”。这是一种间接的“思维解读”，实际上是把脑电作为信息的载体，有点类似通讯系统的调制和解调制。Jonathan Wolpaw的研究组就是通过研究一种和注意力有关的事件诱发电位P300来实现脑机接口打字的。P300电位是当大脑检测到小概率的外界刺激，或者在一连串重复事件中检测到新奇事件时出现的，这个电位活动最强的位置往往在头顶中央。因为电压是正的，峰值大概在事件发生后300毫秒，所以被称为P300 (P for Positive)。如果把字母表随机重复一遍，当你希望选择的那个字母出现的时候，你的头顶中央就会检测到一个P300电位，而其他不相干的字母出现时，P300电位不会出现。如果我们把26个字母和键盘按键精巧地排列起来，快速地随机在计算机屏幕上闪现，同时检测你的P300脑电，就可以分析出你要选择输入的字母。Wolpaw研究组把P300应用于脑电打字的脑机接口，取得了很大的成功。这种设计的明显的缺点是，屏幕上的字母需要不停闪烁，用户会产生视觉疲劳；另外，P300脑电波的个体差异较大，给检测算法带来挑战。

也许你会觉得这样的脑机接口不够自然，还需要外界的视觉刺激来配合。能不能只是想一想，就能通过脑电读出来？由于上面提到的脑电的低分辨率，精细的“想法”是无法解读的。唯一例外是“运动想象”，当想象左手、右手或者脚的运动时，可以在头顶向两耳外侧延展的带状区域（感觉运动带）安放脑电电极，检测出这三种想象状态的差别。背后的生理基础是感觉运动带的功能划分与身体的不同部位相对应：左手的感觉运动由带状区域的右边部分负责，右手则由左边负责，形成对侧交叉，而下肢和脚部由中间区域负责；由于左右脚的负责区域都在头皮中间，所以左右脚是无法区分的。如果在这三个区域（感觉运动带的左中右）分别放上脑电电极，理想情况下，检测这三个位置的脑电活动强度变化，就可以推测你是在想象左手、右手还是脚的运动了。当然，你在真的运动手脚时，这三个位置的脑电活动变化更加清晰强烈。这个简单的对应规律，通过功能磁共振成像可以很清晰地展示出来。因为头皮表面的脑电非常微弱，有效信号只有微伏量级，而且淹没在很大的电学和生理噪声中，要准确地检测出左右手和脚的运动想象，还需要微弱信号的处理技术。感觉运动带的脑电主要能量变化集中在10赫兹和20赫兹附近，即所谓的脑电alpha波段和beta波段。通常需要把采集到的脑电信号进行滤波，把包含关键信号的alpha和beta频段能量变化提取出来，送入一个训练好的分类算法，才能最终完成对脑电信号的准确翻译。

感觉运动脑区和手脚运动的对应关系

脑机接口控制机器狗踢足球

植入脑机接口：神经芯片解读精细运动信号

既然脑电信号不够精准，不够稳定，为什么不把神经传感器放进脑内，去探测和记录每一个运动神经细胞的活动，做一个长期植入“一劳永逸”的脑机接口呢？1998年，美国创业公司Neural Signals的创始人Philip Kennedy开始尝试在人脑中植入微电极，记录运动区的神经细胞放电，希望帮助一位完全丧失运动能力的残疾人恢复与外界的交流。因为电极数目限制，他的实验展示了可能性，但解读信号的准确率远没有达到实用要求。他的初步研究以及60年代Grey Walter医生的勇敢尝试，启发了一批从事运动功能神经电生理研究的学者，其中包括布朗大学John Donoghue、匹兹堡大学Andrew Schwartz、杜克大学Miguel Nicolelis、伯克利大学的Jose Carmena等。他们都曾长期从事灵长类运动神经电生理的研究，对于猴子大脑运动皮层神经细胞控制上肢运动的规律，有着深入的理解。上面我们提到手脚运动是由对侧的感觉运动带控制的，这只是个宏观的规律，进一步的问题是，手脚运动的方向、加速度、力量等这些参数是如何通过感觉运动带的神经细胞活动来编码的？

这个问题的研究可以一直追溯到现代神经科学的奠基人、1932年诺贝尔奖获得者Charles Sherrington。他发现肌肉的控制是由脊髓中的运动神经细胞协同完成的，并非简单的一对一的控制。这个协同编码( Population Coding )的思想启发了后来的大脑运动皮层神经编码的研究，特别是1980年代初，Apostolos Georgopoulos等人发现运动皮层神经细胞是用一种“民主投票”的方式协同编码手臂的运动方向的。如果把这些神经细胞的放电活动用向量来表示，向量的方向是这个细胞的喜好方向，向量的长度是每秒钟的放电次数（发放率），把所有能记录到的细胞的“放电向量” 用向量求和的方式加起来，得到的向量方向就是手臂要去的目标方向。

最初的植入脑机接口研究是在”训练有素“的猴子身上进行的。2002年Donoghue实验室的猴子可以用自己运动脑区的神经细胞活动控制计算机屏幕上的目标在二维平面自由移动，随后Schwartz实验室的猴子通过类似的脑机接口可以在三维空间做到自由控制，杜克大学Nicolelis实验室的猴子甚至可以遥控远在MIT的机械臂。随着电极植入技术和神经活动解读方法越来越精准，猴子可以通过脑机接口控制的参数个数越来越多。到了2008年，Schwartz实验室的猴子可以做到自如控制机械臂的10个自由度，并且用完全脑控的方式操作机械臂拿到了棉花糖喂自己，这向人们展示了植入脑机接口用于残疾人控制假肢的美好前景。

脊柱损伤瘫痪病人用植入式犹他芯片控制电脑鼠标

从灵长类到人类植入脑机接口的发展，应该感谢三位勇敢的重度残疾人。第一位是高位截瘫的病人Matthew Nagle，2006年他同意在自己的大脑运动皮层对应手部控制的区域植入了一个100通道的微电极阵列，这个电极阵列连接到Donoghue实验室研发的BrainGate脑机接口系统，实现了用“思维”控制屏幕光标，打开邮件，甚至玩乒乓游戏。不幸的是，第二年Matthew因为感染去世。第二位是Cathy Hutchinson，她因为中风丧失了运动能力，在BrainGate第二代脑机接口系统的帮助下，她在2012年控制机械手端起咖啡送到自己嘴边，开心地喝了一口，这是她中风15年来第一次。第三位是因为车祸截瘫的病人Ian Burkhart， 2016年在BrainGate第二代系统的帮助下，他的运动神经信号被翻译成电脉冲，来驱动他手臂上的肌肉刺激电极，让手臂肌肉按照自己的意愿重新活动起来，完成抓握、转腕、搅拌等动作，甚至可以弹两下吉他。过去15年，植入脑机接口取得了从“猴”到“人”的进步，除了神经科学家、生物医学工程师，神经外科大夫也在其中发挥了重要的作用，这三例临床实验涉及的技术细节非常复杂，无一例外都是这三方面研究者的团队合作。

脑机接口帮助瘫痪病人喝到咖啡

脑机接口恢复截瘫病人前臂运动

看到这些激动人心的研究成果，大家也许会觉得植入脑机接口技术已经非常完美，临床应用已经近在咫尺，实则不然。到目前为止，已有15-20位重度残疾人参加植入脑机接口的临床实验，都碰到了一个难以攻克的问题：植入电极因为神经胶质细胞的包裹而逐渐失效，无法继续记录神经细胞的放电活动。上述临床实验中采用的都是犹他电极阵列（Utah Array)，虽然只有4x4毫米，但上面的100个硅电极微针是要穿透大脑表面，插入神经细胞之间，才能记录到神经放电信号，必然会造成神经胶质细胞的炎症反应。最糟糕的情况下，2-3个月这些电极就会逐渐实效，长一点可以坚持2-3年，但信号质量逐渐下降，脑机接口系统的工作性能也随之下降。如果这个问题不能很好解决，长期植入就无法实现，每2-3年做一次手术更换电极的代价太大。除此以外，神经信号的无线传输也是个难题。以上这些临床研究都在病人头部安装了有线的“插头”，来传送神经信号和供电，这大大增加了感染的风险。针对这两个难题，科学家考虑了很多办法，例如通过在电极表面增加抗炎因子来减轻胶质细胞的反应；无线低功耗的神经芯片也在研制当中，甚至有人提出采用纳米尘埃扩散到神经细胞周围去形成神经尘埃（Neural Dust），通过超声供电来获取神经信号等等。

神经胶质细胞包裹电极导致记录失效

为了解决这两个难题，2013年提出一种新的微创脑机接口思路：把神经电极只是埋入大脑皮层表面，不穿透皮层，通过少数几个电极的场电位，而不是神经放电活动，来建立脑机接口。这样可以避免神经胶质细胞的炎症反映和包裹，同时因为电极数目少，信号采样率低，可以很容易地实现无线采集和供电。这样的微创方案获取的神经信息要少于电极阵列，但长期可靠性强。为此，我们设计了一种新的脑机接口打字方法，把电极放在视觉脑区处理运动物体的高级区域，用这个区域内60赫兹以上的高频率场电位变化来分辨病人的注意力焦点，从而实现快速准确、长期稳定的脑电打字。

微创脑机接口临床测试

脑机接口真的能读出你的思想吗？

脑机接口是一种很有未来感的技术，和外星探索一样常常成为科幻电影的主题。在电影《阿凡达》中，人类的思维活动可以转移给“替身”(Avatar)，除了控制替身的活动之外，还和替身一起经历外星球的体验，脑机接口系统在电影中是一台类似磁共振扫描仪的睡眠机器；电影《超验骇客》中，神经科学家威尔遇刺病危，他的妻子因为深爱他，通过脑机接口技术把威尔的“思维”整体传送到了互联网上，电影中脑机接口被抽象为数十个植入电极和一台超级电脑。追求“蝴蝶一样自由的思维”，甚至是所谓“永生”，是人类美好的梦想。站在神经科学和神经工程的角度，今天我们离这个目标还很遥远，根本的问题在于我们对大脑的工作机制，特别是信息编码的规律知之甚少。即使我们研究清楚这些规律，也还需要生物医学工程的方法体系将复杂的神经系统复制、转移和保存下来。我们今天已经大体知道了生命信息的编码规律，但还是不能复制生命个体，要复制意识层面的个体，难度可想而知。但这个困难，无法阻挡科学家不断研究和发展相关的方法和技术，并用它们来帮助大脑和身体损伤的病人，使他们从束缚身体的“潜水钟”里解脱出来。

脑机接口也是一个很有争议的话题，和“脑控”等话题一起常常被批评。其实这和“克隆人”、“基因编辑”等技术发展初期碰到的伦理问题类似，今天我们讨论的技术，完全没有达到读取和操控思维的水平，当前任何一种脑机接口技术都需要使用者非常主动的配合，才能把一定程度的思维活动信息读取出来。至于思维活动信息的写入，更是加倍的难。我们的思维活动在时间上是连续的，在可预见的未来还无法像基因信息那样编辑。即使如此困难，仍有勇敢者不断尝试，比如MIT的Tonegawa实验室在过去三年中先后在转基因小鼠身上，通过光遗传技术实现了一个比特恐惧信息的删除、修改和写入。他们希望用这种技术帮助人们消除病理性的恐惧，甚至治疗老年痴呆症患者的记忆障碍。这种技术在人脑上的应用，还有很多难以逾越的技术障碍，并非如媒体所宣传那样近在眼前。

也许有人会问，脑机接口技术最终会发展成什么水平？我没有答案，但可以提供科幻作家刘慈欣版的回答。他在《三体》中提到一位面壁者希恩斯，他发明了“全息思维成像”和“思想钢印”，实际上就是终极的脑机接口技术，既能精确读出，也能精确写入，这大概可以作为脑机接口技术的理论终点，可以不断接近但永远无法达到......

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