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解码脑机接口

为什么全身瘫痪的霍金,每隔一段时间就可以发表一番高谈阔论,为什么下肢瘫痪的男孩,可以在巴西世界杯开幕式上开球?通过脑机接口技术,可以让原本需要神经传导的大脑信号通过另一种方式传递出来——转变成语言、文字,更可以转变成控制外接设备运动的信号。
 
自从近一个世纪前,一位医生发现大脑的神经活动实际上是电信号的传递之后,科学家一直致力于解决如何把这些信号接收下来、解读出来,甚至复制出来,进而通过大脑电信号来控制电子设备。如果这个目标能够实现,人的意识就可以不再受限于脆弱的肉体。正如全身瘫痪的法国时尚杂志ELLE主编吉恩·多米尼克·鲍比用眨眼方式撰写的名著《潜水钟与蝴蝶》中所期待的那样,到那时,人的思想可以逃脱肉体的潜水钟做成的牢笼,像蝴蝶一样自由翱翔。
 
目前的脑机接口技术,还只能帮助残疾人完成最简单的动作,实现最简单的交流,但未来美妙、广阔的前景吸引了全球医学界和电子学界众多最聪明的头脑。在这一领域,中国可以说在基础研究上与世界同步,甚至在有些方面全球领先,但是在临床研究这一最重要的临门一脚上,仍然是一个短板。
 
有创还是无创
 
早在1857年,英国青年生理学家卡通(R.Caton)在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动,并发表了“脑灰质电现象的研究”一文,但当时并没有引起重视。15年后,贝克(A.Beck)再一次发表脑电波的论文,才掀起研究脑电现象的热潮。而直至1924年德国精神病学家贝格尔(H.Berger)看到电鳗发出电气,认为人类身上必然有相同的现象,这让他第一次真正地记录到了人脑的电波。
 
从这时开始,人们就是开始憧憬,如何去理解脑电波,能否把脑电波中的思想解读出来。
 
第一次成功的脑机接口实验诞生于1963年。当时英国拜登神经病学研究所有几位因为治疗需要而在大脑中植入电极的癫痫病人,格雷·沃特(Grey Walter)医生突发奇想,把病人的电极连接到了自己发明的“电位转换器”上,当病人看幻灯片,每次有换片的打算时,大脑运动皮层的电位就会升高,电位转换器就把这一信号传递给幻灯机,实现了自动换片。
 
在此之前,人们所知道的脑电波只是每秒10次左右的节律性起伏(Alpha波),通过这种起伏只能推测人脑的警觉状态,不能反映精细的思维活动。沃特医生多次采用信号平均技术去除噪声,得到脑电发现以来最“纯净”的脑内活动波形——事件诱发电位(Event Related Potential ,ERP)。
 
顾名思义,他们发现了大脑众多神经活动中一个可以捕捉到的状态,就是遇到特定事件大脑某些部位电位升高的现象,而这在自动控制领域,就是0和1的区别,通过提取反映使用者意图的信号特征,就可以转化为控制外部设备的指令。科学家通过事件诱发电位定量研究大脑对外界视觉听觉刺激的响应规律,从此打开了一扇研究人脑的新窗口。
 
例如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,因此被称为P300电位。
 
利用这种方式,需要利用闪烁的方式给病人以刺激,对于病人来说容易疲劳。洪波教授的实验室提出了一种新颖并稳健的设计:借用视觉目标的移动,而不是闪烁来激发一个200毫秒负向脑电波N200,首次实现没有闪烁、对任何用户都很稳健的脑机接口打字。
 
而清华大学生物医学工程系教授、美国医学与生物工程院会士高上凯教授和高小榕教授的研究组,用头皮表面的稳态视觉诱发电位(SSVEP)搭建了快速打字的脑机接口系统,至今仍然保持全球最快记录。
 
上述方法,可以说是无创脑机接口技术的代表。高小榕教授对财新记者说,脑机接口技术大概可以分成有创和无创两大类方法,无创脑机接口技术主要是基于对脑电图的分析,通过分析脑神经信息,理解病人意图,从而控制外部设备。
 
无创脑机接口技术虽然信号的分析精度方面有不足,但也可以在残疾人身上实现的简单交流,实验室中可以实现相当于点击触摸屏的交流能力。但是目前这些实验结果多数都是在正常人身上做的,如果给霍金这样的患者戴上脑电帽,病人能达到什么程度还有待进一步临床试验。
 
自2006年开始,浙江大学求是高等研究院的郑筱祥教授团队整合学校多学科交叉优势,开始了一系列植入式脑机接口技术的研究。她告诉财新记者,基于脑电图的信号噪声大,分辨率底,不能获得大量神经元的单位活动信息,在解析自由度、信息传输率、实时精确控制等方面存在瓶颈。
 
他们首先跟踪国外技术,开展了机—脑的植入式脑机接口技术研究。该研究是在大鼠脑内感觉皮层、内侧前脑束和中央导水管灰质区等部位埋植了三对电极,通过安装在大鼠背部的无线微电刺激背包, 对相应脑区施加特定的电刺激, 让大鼠脑部产生虚拟触觉、兴奋感以及恐惧感,人为调控大鼠“左右转向”、“前进”和“停止”等动作;大鼠可以克服“恐高”“避光”等本能行为压力, 顺利完成复杂环境下的大鼠导航。
 
在机—脑研究基础上,他们在大鼠大脑运动皮层植入16个电极,提取大鼠在压杆喝水时神经信号的发放特征,利用这一特征信号实现对水嘴出水的控制,实现了大鼠“意念”完成喝水的任务。
 
2011年团队尝试研究猴子大脑“意念”控制机械手,通过埋入猴子大脑微电极阵列的100个电极,实时采集猴子做“握、抓、捏、钩”四种不同手势的神经信号集群,解析大脑神经编码特征,转化为控制机械手的信号,实时控制智能机械手与猴子手势同步,同步完成这四种不同的精细手势,在国内外学术界引起极大的关注。
 
2014年,他们在国内首次将植入式脑机接口技术应用于临床转化的研究。通过采集临床志愿者(癫痫患者)硬脑膜下埋置的皮层电极阵列信号,实时解析患者做石头、剪刀、布不同手势时大脑的神经编码特征,让患者同机械手玩“石头-剪刀-布”猜拳游戏。
 
 
运动想象控制
 
到目前为止,全球已有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。2-3个月后这些电极就会逐渐失效,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。
 
这个问题不能很好解决,长期植入就无法实现,每两三年做一次手术更换电极的代价太大。
 
而对于无创脑机接口来说,要获得高质量、稳定的脑电信号,需要在电极和头皮之间注入导电胶,这种胶体适合于两小时内的短期使用,时间长了就会干结,脑电信号质量会大幅度下降,直至脑机接口系统无法工作;另一方面的难点是各种干扰的存在,例如环境中的电磁噪声、使用者体表的电生理信号等,甚至使用者的心理状态也会破坏系统的稳定性。
 
为了解决这两个难题,洪波的实验室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。
 
但是不管是有创还是无创,目的无外乎都是尽可能将大脑的信息传递出来。传递出来做什么,目前脑机接口技术实现的目标,一类是控制,另一类是通讯,比如控制轮椅,控制机械臂等属于脑机接口控制任务,而通讯任务则是字符信息的输入等。
 
高小榕教授说,利用脑机接口技术实现的人机交互,实际上受试者都是经过一定程度的训练。训练过程是利用一定的事件刺激,由计算机检测这些事件诱发电位,也就是在人脑和计算机之间建立另一套新的通讯规则,形成一套编解码体系,让计算机和外设可以理解人的意图。
 
高上凯、高小榕的脑机接口课题组主要关心脑机通讯的机理,研究实现高速率脑机接口的方式。从1999年高上凯教授就开始了这方面探索。这相当于建立一种新的人机通讯方法。
 
简单说,利用脑机接口进行通讯,就是找到一种适当的事件诱发电位,电位的差异足以实现外部设备所需要的0和1的区别,使用者就可以选择自己需要的字母,进而组成一句话。比如霍金就是利用对面部肌肉的控制来选择需要的字母,而对完全失去运动能力的人来说,可能需要其他的特异性的事件诱发电位。
 
除了利用事件诱发电位,还可以利用运动想象控制。虽然目前科学家对于大脑如何实现复杂运动还知之甚少,但有一种特征比较明确,就是当人在想象左手、右手或者脚的运动时,会在大脑的感觉运动带产生明显的电位差别。感觉运动带位于头顶向两耳外侧延展的带状区域,如果在这里安放脑电电极,当人想象使用左手时,右侧的感觉运动带的脑电活动就会增强,相反亦然,而当人想象下肢和脚部运动时,中间区域活动就会增强。
 
有了三个维度上的电位变化,就可以实现二或三个自由度的控制,比如说控制轮椅或者汽车的前进后退和转弯。当然受试者进行运动想象的方式有时也因人而异,如有的人需要想拍打球或者踢球。
 
中国有多个研究小组在实现运动想象控制上走在了世界前列。比如华南理工大学的李远清教授课题组,可以让使用者自如控制轮椅前后、转弯、停止等运动;天津大学明东教授课题组,可以帮助残疾人控制机械臂,从而实现康复训练;国防科大胡德文教授课题组甚至可以对低速汽车实现驾驶控制。
 
2016年美国约翰·霍普金斯医学院的一个课题组发表论文,介绍他们建立了基于大脑皮层脑电(ECoG)信号控制的机械手指。这种在皮层表面放上电极的方式与植入皮层电极的方式相比较,避免了植入电极对皮层神经元的直接损伤。北京师范大学认知神经科学和学习国家重点实验室章晓辉教授对财新记者说,这会是BMI(脑-机器接口,Brain-machine interface)发展的一个趋势。
 
章晓辉介绍,最近的另一个发展趋势是,基于肢体上的残存肌电信号,安置肌电信号感受器控制机械假肢等外部设备。这种技术可以构建能带各类感受器的新型人工“皮肤”,让机械假肢或设备感知“触觉”“温度”,并将电信号传入大脑体感皮层等区域。“不久将来的BMI将是一个‘上行下达’的设备。”
 
章晓辉认为,基于ECoG的BMI会是未来5-10年发展的主要技术方向,在一定程度上解决了神经信号的瓶颈问题。“高信噪比和信息量的密集神经信号获得+智能高效算法,一直会是BMI的核心发展方向。”
 
阿凡达有多远
 
 
十年前来谈论用大脑直接控制计算机或其他外部设备,可能还太异想天开。但现在许多实验室的工作已经证明了用“思维”可以控制机械臂、机械骨骼、轮椅、汽车、甚至无人机。那么真正把人的全部思想传递到一个全新的设备上,有没有可能?
 
洪波教授曾经撰写了一篇文章《从霍金到阿凡达:脑机接口的现状与未来》,之所以能够把霍金和阿凡达联系到一起,就是因为在他看来,让霍金能够说话的技术,让阿凡达能够代替人行动的技术,恰恰代表了脑机接口技术的现状与未来。
 
今年7月初,美国国防高级研究计划局(DARPA)宣布将耗资6500万美元,集结脑机接口领域最精干的研发力量,开始“神经工程系统设计计划”(NESD),目标是制造能够连接100万个神经元的高保真度大脑植入芯片。计划的参与方包括五家科研机构及一家公司,分别为:布朗大学、哥伦比亚大学、约翰·皮尔斯实验室、加州大学伯克利分校、法国视觉研究所,以及初创公司Paradromics。
 
它们的技术方向有两个:芯片不仅要能够记录脑信号,还要能够将电子信号逆向反馈至神经元中,这样就算是失明者和失聪者也能通过神经芯片重获光明、恢复听觉。
 
在NESD计划的第四年,Paradromics公司必须要完成感知系统修复疗法的原型,解决患者的语言能力恢复问题。根据加州大学伯克利分校神经科学家Robert Knight教授的研究,使用者能够通过想象说话的过程,并经过脑机接口来控制语音合成装置来说话。
 
不过,在洪波教授看来,四年完成这个工作恐怕有点难。他认为,电影《阿凡达》中所想象的人类的思维活动可以转移给“替身”,今天我们离这个目标还很遥远,根本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。
 
郑筱祥教授说,脑—机—脑的脑机接口是当今研究最具挑战的领域。人类通过视觉、触觉、听觉等感知能力感受环境并且传递给大脑,来控制人的行为,但是,对脑机接口技术而言,如何将机器获得外界环境反馈信息再作用于大脑是非常复杂的。机—脑的研究相比脑—机要缓慢许多,原因就是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态。
 
高小榕教授也表示,脑机接口技术的创新性在于相当于是给大脑提供了一个新的工具,大脑可以学会驾驭这个工具,把信息传递出来,“但是真正的意识的解码,还要有很长的路”。
 
虽然目前全球研究脑机接口的研究小组有近百个,但真正靠提取脑电信号帮助瘫痪病人恢复行走能力还非常困难。上海傅里叶智能有限公司分别于去年年底和今年三月推出了上肢和下肢外骨骼康复机器人。病患将它“穿在”身上,即可实现坐、行走、上下楼梯等基本运动。
 
他们的技术关键是机器具有“触觉”,通过外骨骼上的传感器感知患者在步行中的变化,“思考”患者意图,帮助患者“执行”运动意图。实现的主要功能是辅助脊髓损伤的下半身截瘫患者进行坐、站、行走等运动功能,帮助脑卒中患者恢复原有的行走能力。
 
傅利叶智能CEO顾捷说,他们的方法相当于提取患者肌肉的触觉反馈、姿态的反馈以及重心变化,然后放大这些信号。
 
他们研究过全球各大实验室的脑机接口成果,发现如果采用无创的方式,只能执行简单的动作,无法帮助患者恢复行走能力。例如在巴西世界杯上展示的杜克大学的机械战甲,只能做启动停止,左转右转的操作。“可以做学术性,研究性的事情,要用到康复上,还是比较遥远。”他说。
 
临门一脚有多难
 
脑机接口技术的研究起始于上世纪70年代,加州大学洛杉矶分校的J.J.Vidal首次使用了brain-computer interface(BCI)一词来表示大脑与外界的直接信息传输通路,提出了脑机接口的雏形,因此他被认为是BCI的发明者。
 
受限于技术,脑机接口直到20世纪末才真正的快速发展起来。目前,脑机接口研究的主要集中在听力、视觉及运动神经受损的恢复,尤其是对于帮助严重的残疾患者(如脊髓侧索硬化、脑干或脊髓损伤)恢复控制能力。
 
从目前进展看,人工耳蜗已经解决了多数听觉问题,视觉仅可以实现光感的接受,运动上可以部分恢复运动控制,这些都在逐步接近实用目标。听觉、视觉、运动三者相比,视觉是最难实现的。
 
中国在脑机接口研究上,在无创方面可以说跟世界同步,主要研究单位有清华大学、华南理工大学、国防科技大学、天津大学;有创的方面是浙大的郑筱祥教授课题组研究比较领先。
 
虽然中国在脑机接口方法学研究上和国际同步甚至有所超越,但是在临床上有很大距离,很少进行正规临床试验。高小榕教授说,这主要是因为临床太费事,难发文章。但是临床实验属于临门一脚,方法做得再好,没有临床应用也白搭。
 
“一方面是科研体制问题,另一方面是冒险精神问题。”在他看来,临床方面最好的是美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯教授,也是《脑机穿越》作者,他被成为“机械战甲之父”,巴西世界杯开幕式上开球的高位截瘫少年身上装备的设计者。
 
今年6月,尼科莱利斯教授曾经到清华大学访问。据他介绍,他的团队一项非常重要的工作是“重新行走”项目。他们借助脑机接口技术,让一位高位截瘫病人通过控制外骨骼系统重新行走,并且控制肢体的反馈能回到大脑,病人可以感受到外部的触觉。
 
“我们的脑电波发出信号,再把这些信号和机器结合起来,就能够控制人为设计出来工具的活动。”尼科莱利斯说,“该接口可以实现大脑与相关设备迅速高效的连接,无论距离远近,也无论这些机器的大小,即使它像航空飞船一样大。”
 
目前,几大科技巨头也开始进入这一领域。2017年3月,特斯拉与SpaceX的创始人埃隆·马斯克宣布投资成立脑机接口公司“神经织网(Neuralink)”公司,旨在将人工智能直接植入人类大脑皮层。
 
2017年4月,Facebook宣布“意念打字”项目,提出了实现“读心术”的目标。在Facebook创始人扎克伯格看来,人类用语言交流,速度还是太慢,思维需要由大脑语言区编码成声音,再经过听觉解码复原思维,语音的带宽是每秒100个比特,而思维是每秒达到1TB,是否能够通过脑电波实现思维的直接交流?
 
在脑机接口领域,对于技术推进的速度,有一个神经元摩尔定律假设,即根据过去几十年发展的速度,每过7.5年就可以把能够记录的神经元的数量翻1倍,每10年基于脑电的脑机接口通讯速率翻四倍。
 
在高小榕教授看来,基于脑电的脑机接口通讯速率如果再过10年还能翻四倍的话,基本可以达到正常语言的交流速度了。郑筱祥教授说。
 
虽然距离真正做到临床,路还很长,但是通过脑机接口研究,把生物智能和人工智能有机结合,获取脑的大数据,建立材料、电子、信息计算和机器人领域的新技术,无论对基础研究,还是对将来的产业,都具有重大的科学和应用价值。
 
“不要妄自菲薄,也不要神乎其神。这一研究的意义不只在于把人的大脑与机器连接起来,一直走,真是一路一风景,将会迸发出很多创新思想和成果,派生一个个新生代产品和行业。”她说。
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