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脑机接口正加速接入健康 繁體

【健康前沿】

脑机接口的技术爆发期正在到来。

前不久,首都医科大学宣武医院教授赵国光团队、清华大学医学院教授洪波团队共同宣布,全球首例植入式硬膜外电极脑机接口辅助治疗颈髓损伤引起的四肢截瘫患者行为能力取得突破性进展,患者通过大脑硬膜外芯片植入实现自主脑控喝水。

去年5月,全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京取得成功。试验在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂,对推动脑科学领域研究具有重要意义,标志着我国脑机接口技术跻身国际领先行列。

脑机接口技术并非一项新技术。1973年,美国加州大学雅克·维达尔发表的一篇文章中首次提出“脑机接口(BCI)”概念,距今已走过50多年。医学健康领域,则是脑机接口技术最大的应用市场之一,因为脑机接口技术开启了一条非常规大脑信息输出通路,帮助运动功能障碍患者,如脑卒中、渐冻症等与外部设备交互,从而提升生活质量。

未来,利用脑机接口技术还能获取大脑功能区的信息并进行分析,这些都将有助于神经精神系统疾病诊断、筛查、监护、治疗与康复等工作……

1、大脑和机器连接,记录、解码、控制、反馈

脑机接口,是指在人或动物与外部设备间创建的直接连接通路,它不依赖于脑的正常输出通路,即我们的外周神经系统及肌肉组织,是脑-机的一种全新的通信和控制技术。据中国科学院院士、首都医科大学附属北京天坛医院神经外科主任医师赵继宗介绍,脑机接口最早要追溯到1924年,当时的德国精神科医生汉斯·贝格发现了人类脑电,这实际上就是目前脑机接口的基础。1969年,德裔美国神经学家埃伯哈德·费兹用猴子进行了脑机接口的动物实验,此后科学家尝试通过解码大脑电信号准确控制外部设备,脑机接口迈入科学论证阶段。

基本上所有的脑机接口系统都包含记录、解码、控制和反馈四个阶段。

“记录”是脑机接口的第一阶段。

“想要理解脑机接口的原理,我们首先要明确,人类的所有思维、行为、意识归根到底都是脑内神经细胞的电活动,我们试着记录单个神经细胞动作电位的发放特点,或者收集多个脑区域的群体神经细胞的活动特点,来理解不同脑区域在不同思维或行为下的电活动。”北京脑科学与类脑研究所联合所长罗敏敏介绍,任何可以体现脑内神经细胞活动的方法,都可以包括在记录这个第一阶段。

“脑机接口的第二阶段是解码。就是根据你记录到的神经细胞电活动来试着理解这些活动到底对应着什么事情,比如通过记录到的电信号反推一个人的手是想往前动还是往后动。”罗敏敏说。

当解码成功后,就来到了第三阶段——控制。

“比如控制一个机械手的过程,就是记录思维变化引起的神经细胞电活动,解码后把信息传输给机械手并控制其运动。”罗敏敏告诉记者,第四个阶段就到了反馈,包括人看到机械臂动了的视觉反馈,用多大劲儿才能不捏碎杯子的触觉反馈等。

脑机接口,大脑和机器的连接方式是关键。

据介绍,目前脑机接口的连接方式主要是侵入式和非侵入式。侵入式脑机接口就是通过开颅手术的方式将能够接收信号的电极植入脑中,但电极长期放在脑子里,旁边会出现炎症,信号也会越来越差。而非侵入式脑机接口就是戴着一个脑电帽,脑电帽里面有大量的信号采集器,并不伤害大脑,但获取的脑电信号容易受到外界干扰。

2、自诞生以来,就与医疗健康领域紧密结合

“1978年,美国的威廉·多贝尔为一个盲人的视觉皮层植入了68个电极的阵列,成功制造了光幻视。1998年,埃默里大学的神经外科医生菲利普·肯尼迪和罗伊·巴凯为病人植入运动神经假体,实现了病人对电脑光标的控制。同年,布朗大学约翰·多诺霍团队通过脑部手术把电极直接插在皮层,和主机连接,使人脑能对其他设备进行远程控制。”赵继宗介绍。

21世纪以来,脑机接口技术在医疗领域不断取得成果——2012年在巴西世界杯上,截肢残疾者凭借脑机接口和机械外骨骼为第一场比赛开球;2016年,我国神舟十一号飞船上进行了太空脑-机交互实验;2020年,美国研究人员通过脑机接口使一位28岁的截瘫病人不仅恢复了手的运动,还恢复了手的触觉……

“目前脑机接口技术在临床的应用,可以概括为以脑功能评估为目的的脑机交互检测,以解码交流与设备控制为目的的脑机接口应用,以功能重塑康复为目的的脑机训练反馈,以及以脑网络环路干预为目的的脑机融合神经调控等4个方面。”首都医科大学附属北京天坛医院意识障碍外科主任医师、脑机接口转化研究中心执行副主任杨艺介绍。但脑机接口在研究探索和临床应用之间还存在着很大的鸿沟,需要临床医生付诸努力。

在肢体瘫痪临床治疗方面,“2020年1月,浙江大学医学院附属第二医院教授张建民团队通过手术,给一位72岁的高位截瘫病人脑中植入电极,完成了控制机械臂和机械手等动作,这与国际上的脑机接口技术是同步的。”赵继宗介绍,目前首都医科大学附属北京天坛医院主任医师韩小弟团队正与北京大学教授李志宏合作,希望将脑机接口和脊髓电刺激相结合,帮助四肢瘫病人完成行走动作。首都医科大学附属北京天坛医院教授贾旺团队与洪波团队合作的微创无线脑机接口成功植入和首次意念控制光标,有望为高位截瘫、肌萎缩侧索硬化等神经功能障碍患者提供全新的康复治疗方向,帮助患者恢复生理功能。

在意识障碍治疗方面,杨艺告诉记者,目前已运用多模态检测、神经调控、脑机接口等技术实现了意识评估、意识改善和意识的输出。

在意念打字方面,脑机接口可以帮助中风、肌萎缩侧索硬化症等失语病人进行表达。2019年,清华大学高小榕教授团队协助患病12年的渐冻人借助脑机接口打字系统,用意念控制机器打出现代诗句。“首都医科大学附属北京天坛医院教授王伊龙团队针对汉字的结构特点,开发书写运动轨迹解码技术,为汉字的意念性打字提供基础。”赵继宗说。

在功能性脑疾病治疗方面,脑深部电刺激术(DBS)作为一种基于脑机接口的神经调控技术,是国际公认的帕金森病中晚期治疗的有效疗法,在全国都有广泛的应用。2022年3月,首都医科大学宣武医院教授赵国光、单永治团队成功为一例难治性癫痫患者施行闭环反应性神经刺激系统注册试验植入手术,闭环反应性神经刺激系统是脑机接口在临床领域的重要应用。

此外,2020年脑科学实验室落户上海华山医院,探索运用脑机接口技术对睡眠障碍病人进行治疗。同年,瑞金医院成立脑机接口及神经调控中心,开展脑机接口技术与抑郁治疗的研究。

3、大规模记录和准确解码编码任重道远

虽然应用前景良好,但目前脑机接口还没有形成大众化、市场化的产品,更多停留在临床试验阶段。

脑机接口技术需要多个领域的技术突破。“这是一个典型的‘木桶理论’,脑机接口的任何一项相关技术被卡住了,整个产品在实际应用中就会碰到困难,这就要求脑科学、临床医学与新型电极、芯片相关的工程学的共同进步。”罗敏敏说。

这首先需要进一步加深对大脑的认识。“大脑有800到1000亿个神经元,每个神经元又与上万个其他神经元连接,我们对大脑的认知还远远不够。”赵继宗说。

与此相对的是,目前脑机接口的通信速率仍然较低。“现在最顶尖的电生理技术一次可以记录1000个神经元,我们记录的神经元活动仍然是微乎其微的。”罗敏敏介绍,“人脑有意识的信息处理量是每秒50个bit,现在最好的脑机接口信息处理量也就6到7个bit,这是2的40多次方的差距。”

侵入式脑机接口对大脑的损伤也不容忽视。

“植入电极需要开颅手术,电极在脑中时间长了有感染风险,电极周围形成的神经胶质疤痕组织也会使信号逐渐衰减。”赵继宗说。有鉴于此,当前国内外对微创、无创脑机接口的研发正在进行中,“2019年国外研究人员利用手术机器人给猪植入脑控芯片,28平方毫米脑部植入96根直径4~6微米的‘线’,含有3072个电极,直接通过USB-C接口读取大脑信号控制机器,对大脑损伤更小,传输数据更多。2022年,洪波团队与解放军总院神经外科合作,只用3个颅内电极实现了微创植入脑机接口打字。2022年,贾旺团队对植入的微电极进行研究,开发出了一种柔性微阵列电极,为将来脑机接口植入电极开辟了新的途径。”

必须考虑的是,脑机接口的安全性和伦理性问题。如果探测到一些人脑中有对社会有威胁的想法,是否应该采取相应措施等。实现脑机接口应用的过程中,对脑活动数据进行有效安全的管理并制定相关标准规范同样是未来的研究方向。

“解决上述问题需要医师、科学家、工程师、伦理学家、政府监督机构和患者权益团体密切合作,共同推进脑机接口的健康快速发展。”赵继宗说。

我国对脑机接口技术发展也非常重视。2021年,科技创新2030重大项目——脑科学与类脑研究正式启动。2023年2月,中国脑机接口产业联盟成立,旨在发挥政产学研用桥梁纽带作用,为我国脑机接口、脑机交互、脑机智能领域规划布局提供支撑建议,加强跨领域与行业交流,推动技术创新与应用探索。

人们更期待的是,脑机接口能否像科幻作品里那样,将意识转移或上传?或者提取记忆、共享记忆?“随着技术的进步,这些情况都是有可能发生的。”罗敏敏说,人的意识归根到底是一种神经计算,那么意识转移某种意义上也是信息流的交换,需要将以碳和氮为主的生物计算转化为以硅为主的数字化、电子化计算。“如果将来真的可以理解行为和意识的神经计算原理,以及神经细胞的电活动特点、编解码特点,那么这种依托于脑机接口技术的意识存储、意识转移是可以实现的。”

“当然,目前脑科学对人的大脑的理解还远远没有达到这一步。大规模地记录神经元活动,尽可能准确地把人的行为和思维进行解码和编码,是一项长期任务。”罗敏敏说。

(光明日报 本报记者 秦伟利)

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