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[導讀]腦極體腦機接口技術作為一項前沿而又酷炫的技術,一直備受矚目,近日,腦機接口技術取得了高價值進展,從大腦活動中解碼完整句子,使得癱瘓失語者可以交流,讓很多人看到了曙光。該項目是Facebook與加州大學舊金山分校聯(lián)合研究,研究員通過在一位失語十六年的癱瘓患者大腦中植入電極陣列,解碼...

本文來源:腦極體



腦機接口技術作為一項前沿而又酷炫的技術,一直備受矚目,近日,腦機接口技術取得了高價值進展,從大腦活動中解碼完整句子,使得癱瘓失語者可以交流,讓很多人看到了曙光。


該項目是Facebook 與加州大學舊金山分校聯(lián)合研究,研究員通過在一位失語十六年的癱瘓患者大腦中植入電極陣列,解碼從運動皮層發(fā)送到聲道的大腦信號,機器學習算法自動識別出他腦中出現(xiàn)的單詞,實時在屏幕中轉換為句子,讓嚴重癱瘓的失語患者重獲交流能力,雖然只是簡單的語句交流,但讓患者們建立了與世界重新交互的希望。



近年來,腦機接口技術新的進展也越來越多.最近剛閉幕的世界人工智能大會上,也有跟腦機接口相關的高價值進展項目,并且還獲得了世界人工智大會最高獎項SuperAILeader(卓越人工智能引領獎),其團隊來自中科院上海微系統(tǒng)所,展示的技術成果——免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機接口,因為其在腦機接口技術的創(chuàng)新與突破性進展獲得殊榮。


腦機接口技術的快速發(fā)展算起來也走過了二十個年頭,從患有中風的病人被植入腦機接口控制其他設備,到現(xiàn)在植入式腦機接口可以讓猴子打游戲,讓腦干受損患者意念控制喝水、交流等,在技術革新的路上,腦機接口技術的安全性似乎變得越來越有保障了。


此前的腦機接口醫(yī)學研究方案中,我們可以發(fā)現(xiàn),試驗對象頭上需要頂著一個盒子,還得連著線,極大地限制了受試者的活動以及安全。而腦機接口近兩年的革新幾乎都是朝著簡化設備,減少侵入式的創(chuàng)口以及無線傳輸數據信號的方向進行。


微創(chuàng)、無創(chuàng)腦機接口技術并駕齊驅




腦機接口工作的方式是通過電極元器件進行信號的采集,PC對信號進行解碼、編碼處理等,最后反饋給大腦的過程,技術的實現(xiàn)主要有兩種方案,分別為非侵入式方案與侵入式方案,他們之間最大的區(qū)別是,是否對大腦采用有創(chuàng)口的手術方式獲取神經元信息。


傳統(tǒng)的侵入式方案,將成千上萬的電極插入到大腦中獲取神經信號,因為需要進行開顱手術,會對大腦造成損傷;侵入大腦的元器件長期在腦內安置,其安全性以及性能方面也會大打折扣,這也一直是侵入式腦機接口方案最大的缺點。因為其安全性以及倫理方面的限制,侵入式腦機接口系統(tǒng)在動物上應用較多,相關人體研究目前僅限于神經系統(tǒng)損傷和疾病患者等臨床特殊患者群體。



而此次世界人工智能大會上公開的免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機接口技術有望打破侵入式方案的桎梏,提高植入的安全性。中科院上海微系統(tǒng)所的方案是通過免開顱方式進行微創(chuàng)植入電極,植入尺度小于輸液針孔口徑。


團隊獨創(chuàng)的蠶絲蛋白包裹電極的技術可以把柔性的電極暫時硬化,這樣只需要開一個很小的孔,類似做針灸一樣將包裹后的電極直接放入腦袋里,而它到了腦后又會逐漸變軟,留在大腦內部的神經電極就可以把實驗體的腦電波傳入電腦,后期可進行解碼與人工智能預測。


柔性讓“腦機接口”更加接近臨床轉化,技術人員有個很巧妙的比喻,可以很好地理解柔性電極的功效,如果把大腦比作豆腐,柔性“腦機接口”就仿佛把一根蠶絲插入到一塊豆腐中,它可隨著豆腐一同晃動,不會對豆腐造成傷害。


柔性電極化極大地提高了侵入元器件的安全性,并且柔性的方案很好地固化了電極,其無創(chuàng)的方式降低了腦損傷的傷害,目前,該系統(tǒng)已應用于鼠、兔、猴等多種動物模型,并能夠實現(xiàn)術后急性信號采集和長達8個月的穩(wěn)定神經信號跟蹤,對后續(xù)的臨床試驗有很大的裨益。



馬斯克的Neuralink最新方案中,對安全性能也做了很大的革新,相較于之前的方案,最新的技術讓開顱的尺寸縮小到硬幣大小,減少了對腦部組織的創(chuàng)傷,使得開顱手術較以往變得完全了許多。


關于有創(chuàng)傷的手術操作方面,因為大腦的精細與復雜性,手術的過程不得出現(xiàn)任何閃失,Neuralink還研制了一種植入機器人。這臺機器人能自動避開血管等大腦關鍵精細的部位,把比頭發(fā)還要細的微小電極和傳感器植入到大腦深處。


有創(chuàng)的侵入式方案,一般都是神經系統(tǒng)受損嚴重的患者選擇,以治療為目的,風險和收益比較而言,有時候是值得冒險一試。但是這個冒險的前提是侵入式方案盡可能的安全,對大腦的損傷少一些。


設備的簡化以及安全性必須要求苛刻,不能讓患者陷入病沒治好,還把腦子給戳壞了的處境。傳統(tǒng)的侵入式腦機接口需要通過開顱手術來實現(xiàn),由于此種方式侵入性太大,使用者面臨的風險是極高的。最新技術的革新趨勢讓腦機接口侵入式方案的安全性大大提高了。相比傳統(tǒng)開顱手術,這種方法對大腦的損傷更小,風險也降低。如果未來有更創(chuàng)新的植入技術,可能還會繼續(xù)降低各種創(chuàng)傷風險。


道阻且長,腦機接口的安全“地雷”




雖然微創(chuàng)與無創(chuàng)的方案提高了腦損傷事故的安全性,但是我們知道侵入的方案歸根結底還是將大量的電極預埋到大腦里,還是有安全的風險存在。


技術的發(fā)展讓腦機接口看起來減少了危險,但并沒有完全遠離危險,微創(chuàng)的電極還是會入侵大腦,對人的身心帶來危害。風險包括針對人腦的手術創(chuàng)傷、出血、感染等。長期安置在大腦中,元器件的功能作用會產生弱化的問題,信號失真,信號傳輸有誤等,而弱化的功能可能會導致腦機接口系統(tǒng)的操作失誤,增加許多難以預料的風險。


相比侵入式腦機接口技術,非侵入式腦機接口技術是企業(yè)和健康人士更青睞的方式,但其技術方面也存在一些安全問題,不容忽視。



在信號的傳輸與分析階段,腦電信號存在干擾以及被誤讀的風險。由于顱骨對神經信號存在阻擋,目前非侵入式腦機接口裝置難以獲得持續(xù)穩(wěn)定的腦電信號,特別是在一些需要高精度操作的腦控場景下,例如控制輪椅、駕駛汽車等,如果因腦電信號誤讀造成操作失誤,造成的后果就非常嚴重。


再者就是佩戴電極帽也有一些安全風險,人在使用電極帽之后可能會有頭疼、發(fā)熱和視覺模糊等狀況,如果是長時間佩戴的話,也有電磁波輻射的損傷,長期使用會使人腦發(fā)生不可逆的改變,帶來未知的負面影響。


技術的創(chuàng)新伴隨著潛在的和未知的風險,因為腦機接口技術涉及到人類最重要最精密最復雜的器官——大腦,所以其迭代發(fā)展的過程中風險一定需要考慮及重視,并且在所有的風險中應該首先關注技術本身的安全性,特別是當可能涉及到嚴重的危險時,必須將安全置于最高的地位。


無論是哪種技術方案,腦機接口的安全“地雷”問題還是很多,整體來說,雖然微創(chuàng)的技術減少了腦損傷的部分安全隱患問題,向著安全的方向靠近了一些,但是腦機接口技術畢竟在發(fā)展的初始階段,整體的安全性進度條還在初步階段,談論腦機接口技術已經變得安全了有些夸張,只能說是向著安全的方向在進化中,不過,有變化總是好的事情。隨著資金、人才的大量涌入帶來技術的革新,腦機接口技術的風險和成本會逐漸降低,向著大帶寬、便攜化、可穿戴化方向發(fā)展。


行將終至,腦機接口的漫漫征途




創(chuàng)新推廣的新技術只能排除部分的安全風險,但是技術的發(fā)展也不能因為困難因噎廢食,腦機接口的科學愿景和錢景還是很有吸引力,其應用覆蓋的領域較為廣泛,在醫(yī)療、教育、娛樂、軍事等,尤其是在醫(yī)療領域中,除了治療腦干受損的患者外,原則上也可以治療重度抑郁癥、自閉癥、腦癲癇、阿爾茲海默癥、帕金森綜合征等目前難解的神經疾病。



廣闊的商業(yè)化前景吸引了資本的注意,有關腦機接口的融資事件不少。公開數據顯示,2018年以來國內腦機接口行業(yè)融資不斷增多,如專注腦控康復技術的臻泰智能2019年9月獲得聯(lián)想創(chuàng)投獨家投資的數百萬天使輪融資,聚焦腦機接口系統(tǒng)相關設備研發(fā)的博瑞康在2021年3月獲得紅杉中國領投的上億元B輪融資,NeuraMatrix獲得由經緯中國數百萬美元Pre-A輪融資,腦陸科技在2020年12月獲得1億元A輪融資。


雖然腦機接口技術吸金,但是其技術整體來說還是屬于發(fā)展的初期階段,商業(yè)化落地的話路徑蹣跚,目前主要還是在醫(yī)療領域發(fā)力,比如康復訓練已經進入了臨床試驗的階段。腦機接口技術還遠未成風口,談競爭似乎也是有點牽強了。


腦機接口產業(yè)領域的發(fā)展還是以學術界研究機構領頭,他們的科研實力較強,巨頭企業(yè)或者是牽手合作,或者是收購等方式,進行早期的布局。Facebook通過收購腦機接口(BCI)創(chuàng)企CTRL-Labas,開發(fā)一種可以與其他設備直接連接的外設。馬斯克家的Neuralink主要是從侵入式方面進行探索。


國內的玩家比如博睿康、腦陸科技等,大都從非侵入方面的設備層面進行切入,阿里與NeuraMatrix公司牽手合作,共同探索未來的腦機接口應用淘寶意念購。整體來說行業(yè)內主要研究的方向還是以非侵入式腦機接口為主,落地的應用在醫(yī)療領域。



對于大腦的物理結構層面的研究,人類幾乎已經走完了觀乎其外、入乎其內的過程,但是馭乎其外的境界還遠沒有達到。對于大腦中各個分區(qū)以及功能物理結構等人類已經有了很好的理解,但是大腦擁有上百億個神經元,他們之間怎么通過連接、傳遞信號完成信息的處理,中間的過程是黑盒子。


映射到腦機接口技術中,充當神經元的電極數量遠遠小于大腦的神經元,再加上本身技術層面的信號帶寬與失真以及安全性的桎梏因素等,目前的腦機接口技術還是只能實現(xiàn)一些不太復雜的腦電信號的讀取和轉換。


要想實現(xiàn)更為復雜的交互和功能,像電影《黑客帝國》或者是《攻殼機動隊》中所想即所得,通過“下載”能夠熟練地掌握新知識、新技能,需要很漫長的路要走。


道阻且長,行將終至,腦機接口技術是人機交互、人人交互的終極形態(tài),但是發(fā)展到這一步還需要時間的打磨,很多人擔心腦機接口技術會打開潘多拉的盒子,但是正如《超體》電影的臺詞所述,帶來混沌的是無知而不是知識與技術,未來腦機接口技術是對人腦的增強而不是控制與干預,是促進人類交互的蓬勃發(fā)展的工具,去更好地理解自然、宇宙。



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