用脑机接口技术让瘫痪者恢复运动能力,靠谱吗?
2020-10-21 09:53

用脑机接口技术让瘫痪者恢复运动能力,靠谱吗?

本文来自微信公众号:一席(ID:yixiclub),作者:李骁健(中国科学院深圳先进技术研究院深港脑科学创新研究院研究员),原文标题:《这位老先生终于通过脑控机械手吃到了中华传统美食——油条 | 李骁健 一席第800位讲者》,题图来自:电影《阿丽塔:战斗天使》


这样看来好像这项技术还是有点儿风险的,那么大家就要问了,发展植入式脑机接口技术对人类有什么帮助吗?



脑机接口热知识


2020.09.26 广州 


大家好,我叫李骁健,来自中国科学院深圳先进技术研究院深港脑科学创新研究院,我的研究领域是高性能脑机接口和类脑工程。


今天非常高兴能够受到邀请来到这里,给大家讲一些脑机接口——特别是植入式脑机接口的基础知识和前沿介绍。


什么是脑机接口?简单来说,就是大脑与外界直接进行信息通讯的方式。听着有点儿抽象对吧,我们不如先看看脑机接口能干什么。


我们通过眼睛、鼻子、耳朵、嘴,以及全身来接受外界信息,也可以通过语言和动作发出信息,就像我现在这样。我们接收的信息非常多,发出的信息相对比较少,所以我们想通过脑机接口来弥补收发信息器官的这种带宽差。



有一种情况是我这些器官受了损伤,我失明了,或者耳聋了,我们就想用脑机接口来替代这些受损伤的收发信息的器官。


还有一种可能性是我们完全不用这些器官了,我们直接从脑内把信息传出去,外界信息也可以直接写进来。大家先看一段视频,这是一个科幻电影。



▲ 电影《阿凡达》片段


一个来自地球的残疾的人类战士,他来到潘多拉星,发现已经给他做了一个阿凡达。只要他进入睡眠舱,他的意识就能替换到阿凡达体内,他就完全控制这个阿凡达了,阿凡达就是他自己,这是一种脑机接口的场景。


这个电影在后面还展示了另一种场景,他的阿凡达骑到了飞龙的身上,他的辫子和飞龙的辫子连接在了一起,这样形成了一个意识对接,他们之间可以不用说话,直接用意识互相沟通了。


▲ 电影《阿凡达》截图


这个影片提到了两种脑机接口场景,一种是意识替换,比较遗憾,目前从我们的角度还想不出这么高要求的技术,包括遥感和遥控技术该怎么弄,这个确实也还没想出来。


另一种意识对接看起来是比较简单,但是地球上的动物还没有这种神经对接的器官,我们和任何一个动物都干不了这种事。所以我们认为,《阿凡达》提到的这两种脑机接口技术要实现还是很遥远的。


我们再来看,这个原班团队又拍了另一部科幻电影《阿丽塔:战斗天使》。这个小丫头是这个医生在垃圾堆里找到的,刚开始只找到了一个脑袋,后来给她造了一个身体。


▲ 电影《阿丽塔:战斗天使》片段


这里面讲的技术就是脑神经与电子装置的一种对接方式。从这个图里我们可以看到,当时这个医生是怎么给她做身体的。


▲ 电影《阿丽塔:战斗天使》截图


脑袋有一个外壳,再配了一个机械电子的身体,这样就实现了人脑组织和机械体的一种共融。我们觉得从生理角度上看,这种方式还是有一定可行性的。



先来看一下我们的脑,它是有相对独立的一些功能分区的。那么,大脑它是怎么实现这些复杂的功能的呢?



大脑是由近1000亿个神经元构成的,这些神经元进行信息的接收、处理和转发,它们通过级联方式形成了通讯网络,然后这些网络交联,就可以实现复杂信息的处理。


▲ 这个动画中的神经元在闪烁,表明它正在进行信息处理。


那么有个问题就是,要获取这些神经元传递的信息,我们要怎么做呢?其实比较简单和直接,就是在大脑内放置很多传感器来监听这些神经元的活动。


那这些传感器要放在哪里呢?我举一个相对比较直观的例子,就是如果大家到球场看比赛,这里就有一个所谓的“体育场效应”。当你站在球场中、在前排、在后排、在空中,听到的声音都是截然不同的。



如果想听到球员说话的声音,你就必须站在场内中间的位置。在大脑中放置传感器也是同样的道理。


这个传感器,我们叫它神经电极,经过研究发现,它放得离神经元越近,我们获得的信息的清晰度就越高。



马斯克的Neuralink公司,它其实就采用了这种高清的模式。如果那个电极能够贴在神经元上面,这样不但能够清晰地读取神经元的信息,而且还能把信息写给神经元,希望未来能够这么实现。


▲ 一个想象图


那Neuralink具体是怎么做的呢?比如说下图的这些神经电极,它们其实都比头发还要细,非常柔软。


▲ 左图:硅基底上的薄膜状电极;右图:神经电极传感器,它们的神经电极形态是通过在硅片上光刻出来的,这种方式制造的电极就非常软。


Neuralink还专门研发了神经信息的处理器芯片,然后把两者结合在一起,也就是他们在发布会上展示的东西。去年和今年的Neuralink展示的就是两种集成方式。



去年的Neuralink有个USB的插头,所以它是一种有线的传输模式,而今年的形式是有线圈的,它可以实现无线充电和数据传输。


接下来要做什么呢?就是把颅骨开个洞,将这些柔性的电极植入脑内。比如下边这个猪脑上面的黑丝就是植入的这些电极,红色的就是脑内的血管。


▲ 给猪脑植入了神经电极


到目前为止Neuralink一共展示了两次,分别是它的两个不同的装备,去年展示时,把这种有线的Neuralink植入到了鼠的脑内。


▲ Neuralink去年的展示


上面这个USB插头如果插上USB数据线,再接上计算机,就可以把这个老鼠脑内的信息传到计算机中了。


另外就是今年9月初刚展示的,这一次马斯克一共展示了三只小猪,我们分别来看一下。第一只就是一只很正常的小猪,什么都没有干。


第二只小猪,它的脑内被植入过Neuralink这个电子装置,后来又取了出来。这个主要是证明植入这种东西后再取出来,并不会影响它的生活。


▲ 马斯克展示的已取出电极后的第二只小猪


真正的主角是第三只小猪,它的脑内已经植入了Neuralink的电子装置,这些“滴滴滴”的响声所代表的,就是从它脑内采集到的神经信号代表的活动状态。



▲ 马斯克展示的第三只小猪(视频有声音)


可以看到它的植入装置有个特点,就是当这个猪的鼻子触碰到外界物体时,它脑内的神经活动是有对应的反应的,这表明了它这个植入装置采集了正确的神经信息。


它的植入装置已经放进去两个月了,它看起来还是挺健康活泼可爱的。然后他们还把这个小猪放在一个跑步机上,从它脑内的神经信号也可以看出它走路的节律。



据马斯克说,这个设备已经申请到了创新性医疗器械,下一步应该就可以植入人脑了。



刚才看了马斯克展示的那些设备,这里我们也可以看看在科研中我们会用到的设备。这是我曾经用过的Plexon 128道的脑神经系统,我专门在它旁边放了一个可乐罐,这样一对比就可以看出,这个东西的体积并不小。



实际上马斯克这次展示的1024道系统,我以前也用过和他同样通道的,只是需要8个128道系统,然后加上配套的计算机,堆起来大概有半面墙这么大。这就是它们两个体积的差距,马斯克的设备也充分表现出了这些年微电子和电子工程技术的发展。


我也顺带介绍一下我们现在研发的脑机接口系统,因为我们是用猴子做研究的,但这种动物不允许拍照,所以我就拿了一个玩具猴做示意。



我手里拿着的小盒子,其实和Neuralink的设备有类似功能,也具有1024道脑神经信息采集的能力,虽然没有他们的那么小巧,不过我觉得也算是小型化了。与此同时,我们也在研制柔性电极传感器。



那么,会有人主动想在脑内植入电极吗?


这是一个很好的问题。历史上在美国有一个人专门这样做过,他叫Phil Kennedy。这位先生是一名神经工程师,他想通过脑机接口技术让渐冻症病人重新说话。



实际上Phil Kennedy是脑机接口领域的一个先驱了,他从上世纪80年代末就开始研究脑机接口技术。但是后来他发现一个问题,就是渐冻症病人已经病得很重不能说话了,所以说也不知道他要干什么,这就比较难研究了。


后来,肯尼迪就决定干脆给自己脑袋植入电极,于是他找人给自己做了手术。不过在当时这个手术做得有点儿问题,术后他就发现自己说不了话了,不过好在过了一段时间后就又恢复了。从他能说话之后,他就开始采集自己脑内的神经信息。



过了一段时间后他把电极取了出来。他是在2014年给自己做的实验,到目前为止,肯尼迪还是比较健康的,而且他现在还在继续分析他从自己脑内采集的那些神经信息。


这样看来好像这项技术还是有点儿风险的,那么大家就要问了,发展植入式脑机接口技术对人类有什么帮助吗?



实际上植入式脑机接口技术的研究从上世纪六七十年代就开始了,越南战争时期,美国有很多残疾退伍军人,为了帮助这些人生活自理,人们就开始研究运动脑机接口技术,至今已经研究了几十年了。


我们简单回顾一下运动脑机接口技术的研究史。比如说在上世纪60年代,科学家们就在清醒的猴子脑内记录到了和运动相关的神经细胞。



后来发现这些神经细胞的群体活动,和用手去抓东西的方向是一致的,这样我们做运动脑机接口就有了神经科学的基础。


在2006年,人们提出了一种人脑用的脑机接口方法,就是BrainGate。



BrainGate讲的是从脑内采集出神经信号,传给计算机,然后控制屏幕上的图形运动。从这里开始,植入式脑机接口就进入了实用阶段。


后面出现了一系列的里程碑事件。比如说在2008年,世界上实现了第一个猴的脑控机器人。我们来看下视频,



这是一只猴子,它脑内植入了电极,然后脑信息传递到了一台计算机中,这台计算机可以控制这个机械手,当这只猴子意识到它是可以脑控这只机械手时,它就努力地控制这只机械手去抓食物吃,最后它成功吃到了。



这个需要一段时间的训练,猴子需要聚精会神地去想,让这些神经真的能够控制这个机械手按照它的意图去做事情。


四年之后,又出现了另一个里程碑的事件,世界上第一个人的脑控机器人。



▲ 右上角的黄圈就是安装在大婶脑袋上的电子装置


这是一位瘫痪病人,可以看到她上肢是不能动的,所以她需要一个机械手臂来帮助她做想做的事情。其实跟那个猴子用的方法是一样的,她的头上也有一个电子装置来采集她的神经信息,经计算机处理后变成机械控制指令,去控制机械手臂。


可以看到她特别努力地让这支机械手臂靠近她,



终于喝到后,再控制这只机械手把瓶子放回了桌子上。



这位大婶实现运动脑机接口时有一个问题——她用机械手去抓东西,抓没抓到她其实无法感知,是需要用眼睛去做判断的,也就是说这只机械手是不能给她提供触觉的。而就在四年之后,2016年,世界上出现了第一个拥有触觉的人脑控制机器人。


他叫Nathan,因为他出了车祸,手是完全不能动了,后来他就接受了脑机接口的植入手术,与此同时他在体感皮层也植入了电极。



跟奥巴马见面,两人碰拳打了招呼。



当他和奥巴马碰拳时,他接触到奥巴马的这个触觉信息同样能够传到他的脑内,于是他就知道“wow,我和奥巴马已经碰拳了”。



经过前面的介绍,总结一下运动脑机接口的系统构成,主要是三部分。



第一部分就是神经界面,也就是植入的神经电极和脑内神经接触的这部分。


植入电极其实这些年一直是在发展的,刚才介绍的其实都是这种硬质的电极,就像个挺硬的鞋刷子一样,要用气锤把它拍到脑组织中。


▲ Utah电极阵列


但是这么硬的电极有一个问题,因为脑组织比较软,所以容易引起脑的排异反应,这样采集脑信号的质量会随着时间逐渐衰减,过一段时间可能就采不到信号了,那时电极也就不能再用了。所以说电极的发展是由硬质逐渐向柔性发展,这种方式被认为在脑内能够比较好的共融共生。


马斯克这次展示的就是柔性电极阵列。但是柔性电极很软,脑组织也很软,电极就不好塞到脑袋里去了。所以说他们又专门研制了像缝纫机一样的机器人,把这种柔性的电极丝一个一个戳进脑袋。


采集到脑信号后,就进入到第二部分,脑机转码。脑机转码其实就是把采集的信号转化成机械运动控制信号,同时把这些触觉的传感器信息再写回到脑内。



脑机转码应用到了一些神经科学中的发展,比如说神经学习,可能对深度学习比较熟悉会更容易了解这一点,当然这块儿的神经学习主体是大脑,是大脑自己在学习。


第三部分是仿生机械。



运动脑机接口是可以控制几种装置的,第一种就是仿生机械,像我们刚才视频中看到的那样,不难看出这些研发出来的仿生机械手,其实和人的手已经比较类似,有很高的灵巧度了。


还有一种方式,就是虽然病人瘫痪了,但他的胳膊还是健在的,可以让他控制已经瘫痪的手去做自己想做的事。比如图中这位志愿者,可以看到他的小臂上缠了很多绑带,这些就是进行功能电刺激的装置,会刺激他的肌肉,带动他的手腕手指去做他想要做的动作。



前面介绍的这些都是前些年在美国的研究成果,中国这方面的起步是比较晚的,但可以欣喜地看到,国内也是有些研究成果的。比如说今年年初,浙江大学就完成了国内首例植入式脑机接口临床转化实验。


图中这位老先生终于通过大脑控制这个机械手吃到了中华传统美食——油条。



这是通过他自己的意识吃到的,不是别人喂的他。这个研究的难点在于,这是一位高龄志愿者,年龄大的人做脑外科手术还是比较难的。



至此,我们已经知道了脑机接口可以在一定程度上恢复运动功能,实际上它也可以在视觉、听觉和语言功能上起到恢复作用,比如说人工耳蜗、人工视网膜,或者是脑起搏器之类,这些已经是比较成熟的产品了。


在去年,也实现了第一个人脑神经解码的语音合成器,可以看到根据解码得到的肌肉控制信息合成的声音与人类自己的发声已经很像了。




其实这个功能就是前面提到的Phil Kennedy先生想实现的,让说不了话的人能够说出话来。


除了刚才提到的用在感觉和运动功能的恢复上,脑机接口是否能够用于治疗精神疾病,比如说失忆、老年痴呆、焦虑、抑郁和自闭等这些症状呢?


仅从我个人的视角来说,我认为脑机接口技术其实提供了一种重要的介入手段,但现在研究上并没有太能确定这些精神疾病的具体病灶,所以我们也就不好判定治疗靶点。也就是说,脑机接口也许是一种工具,具体怎么操作还需要进一步的研究。


前面我们讨论的都是将脑机接口技术用于疾病治疗,那么对于健康人来说,脑机接口是否有必要呢?这个问题我先不直接回答,我先举一个动物的例子。


因为我是从深圳过来的,今年深圳可能是为了防止狗丢失,开始要求给狗注射身份芯片,用一种类似针筒的方式将芯片植入到动物的皮下。



这事反响挺大的,很多人问:“这样做必不必要,需不需要?”怎么说植入式脑机接口这种事情呢,如果你身体健康,而且没有什么特殊需求的话,是否要在自己脑袋里做植入,我觉得就......还是自己去分析、判断和决定吧。


最后我们可以对植入式脑机接口的未来场景做一些畅想。比如说我们看一下波士顿动力公司,他们研发的这种灵巧的双足机器人,活动状态跟人已经很相似了。我觉得这对我启发还是挺大的。



著名科学家霍金先生一生大部分时间好像都是瘫坐在轮椅上的,其实我们在想,这样的疾病就可以通过植入式脑机接口技术,把他运动的意图信息读取出来,然后传到这样灵巧的机器人身上,把这个机器人做成一个外骨骼的机器人,带着病人去他想去的地方,做他想做的事情。


另一种畅想呢,让我们回到前面的第二个影片《阿丽塔:战斗天使》,它实际上就是脑神经与神经形态的电子形成的一种融合人,也就是可以形成一种半人半机械人的形式,我们觉得这种方式在不太遥远的将来也是有可能实现的。



在最开始的时候,我们说到想通过脑机接口来弥补人类收发器官的信息差,所以这项技术其实涉及到了高带宽的传输数据,比如说现在正在推广的5G技术,我们认为未来的6G技术,相比5G,应该是有千倍以上的通讯带宽的。未来在6G高带宽的无线通讯网络的支持下,或许可能会实现多人多地域同时脑信息的自由交流。


综合前面的介绍,我主要想阐述的意思就是,脑机接口它是一门严谨的科学,它也并不算玄幻,因为我们一直在努力地研究它。我们也提到了一些愿景,但是未来的愿景能否实现,我觉得还是需要大家一起去努力和尝试。


谢谢大家。


本文来自微信公众号:一席(ID:yixiclub),作者:李骁健(中国科学院深圳先进技术研究院深港脑科学创新研究院研究员)

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