腦機接口技術：從生活走向太空

　　北京時間8月29日早上，在15萬人圍觀的直播中，馬斯克發(fā)布了旗下公司Neuralink的腦機交互設備，并向大家展示了三只植入腦機芯片的小豬。

　　這次演示意在表明，Neuralink的腦機接口技術正在進步，有望在未來某一天安全地應用于人類。這種腦機接口技術可能會幫助一些身體狀況不那么理想的人。

　　我國的腦機接口研究者對此表示期待。那么，我們的腦機接口技術發(fā)展狀況是怎樣的呢？

　　腦機接口研究因患者起步

　　腦機接口，有時也稱作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動物腦(或者腦細胞的培養(yǎng)物)與外部設備間建立的直接連接通路。簡單來說，就是實現(xiàn)腦與機器之間的直接“對話”。該技術能用于教育、醫(yī)療，當下正被業(yè)內人士熱評為“技術上的新風口”。中國科學院院士、中科院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心學術主任蒲慕明在接受采訪時曾介紹：“腦機接口大致有兩類，一種是非侵入式的，即將電極放在頭皮上，通過腦波診斷來判斷大腦的狀態(tài)，做疾病的診斷，還可以用腦波來控制外面的機器、外骨骼系統(tǒng)。另外一種是侵入式的，即直接把電極插入到大腦皮層，它可以記錄更多、更準確的大腦的反應，進而更好地操縱外面的器械。”

　　馬斯克此次在新媒體上宣布的屬于侵入式腦機接口技術的應用。

　　在天津醫(yī)院康復科的治療室里，63歲的腦出血患者徐寶釧正在借助天津大學神經(jīng)工程團隊研發(fā)的康復機器人系統(tǒng)，依靠運動想象進行手腕功能康復訓練。幫助他的康復機器人叫“神工”，核心技術就是腦機接口。

　　“神工”的“爸爸”是個70后的山東人，有著令人印象深刻的名字——明東。1994年，明東考進天津大學精儀學院生物醫(yī)學工程專業(yè)學習。“我們專業(yè)本科學制5年，醫(yī)工兼修。在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復治療非常困難，當時我就想，如果通過機器采集和讀取腦電信號，然后解碼輸出控制信號，讓身體執(zhí)行，是不是可以為截癱患者建立新的人工運動神經(jīng)通路，重新獲得運動能力。”

　　明東解釋：“大腦是宇宙中最復雜的系統(tǒng)之一，不但有極為復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡結構，還有千變萬化的動態(tài)信息。每說一段話，大腦里可能有上億個涉及的神經(jīng)細胞在發(fā)放電信號。”

　　頭皮腦電波的信號非常微弱，只有百萬甚至千萬分之一伏，科研工作者要通過傳感裝置監(jiān)測不同活動腦電波的變化，再通過這些信息研判出人在做什么樣的思考或者有什么意圖。捕捉、破譯頭皮腦電信號類似于在非常嘈雜的購物中心遠遠地聽見、聽懂一個人自言自語的呢喃。聽到腦語、解讀腦語、輸出腦語涉及到傳感、材料、算法、介質……聽上去都不輕松，研究過程的艱難可想而知。

　　2014年首臺適用于全肢體中風康復的人工神經(jīng)機器人系統(tǒng)——“神工一號”研制成功。融合了運動想象腦機接口技術和物理訓練康復療法，該系統(tǒng)在中風患者體外，仿生構筑了一條人工神經(jīng)通路，經(jīng)過模擬解碼患者的運動康復意念信息，進而驅動多級神經(jīng)肌肉電刺激技術，產生對應動作。隨后“神工二號”“神工三號”相繼研發(fā)成功。目前，“神工”已通過國家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)檢測，在天津、山東多地三甲醫(yī)院進行臨床試驗，受益患者數(shù)千例。

　　明東解讀：“侵入式與非侵入式兩者各有利弊，如果把人的頭顱比作一個房間，非侵入式需要克服頭發(fā)、頭皮、顱骨等對信號的重重‘阻擋’；在大腦中植入芯片的侵入式就像在房間里聆聽和輸出腦語，這種方式雖然聽得清晰，但有安全風險。我國科研工作者目前在腦機接口方面的優(yōu)勢研究方向更多集中在非侵入式，我相信隨著技術的不斷進步，‘屋外’的聆聽會和屋內一樣清晰，而且更安全。”

　　給太空探索帶來無限可能

　　在科學研究領域，世界各國都加大了對腦機接口技術的研究。腦機接口一直被列為美國最優(yōu)先支持發(fā)展的顛覆性創(chuàng)新技術之一，近十年里，美國在腦機接口領域發(fā)表的論文總數(shù)排名第一，我國位于第二位。

　　2019第三屆世界智能大會上，世界首款腦機編解碼集成芯片——“腦語者”面試，它能夠采用先進的機器學習算法，對極微弱腦電特征進行精細分辨與快速解碼，輸出一個指令僅需1.7秒，首次實現(xiàn)了一個108個字符的高速腦機交互系統(tǒng)。2020年2月6日出版的《自然》雜志中稱“腦語者”保持了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀錄。

　　“有了腦語者芯片的加持，‘神工’可以化作一個體積更小的可穿戴便攜設備，可以輔助病人完成更多復雜而精細的肢體動作，如果把顱電磁刺激技術、機械外骨骼技術和虛擬現(xiàn)實技術結合一起，將能幫助到更多的病人。此外，腦機接口技術還能為抑郁癥、自閉癥、阿爾茲海默癥等一系列精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療帶來福音。”明東團隊骨干、天津大學神經(jīng)工程中心許敏鵬副教授介紹。

　　明東團隊還通過對大腦運行機制與人機交互的融合，將類腦智能技術從治療出發(fā)開始運用到生活的許多方面。國內首款人感仿生神經(jīng)系統(tǒng)，目前已成功應用于海爾集團的中央空調系統(tǒng)，空調有了如同人類的“感覺神經(jīng)系統(tǒng)”，探測有多少人，怎樣送風由智能決定。而未來，這一技術將在家庭物聯(lián)網(wǎng)、居家養(yǎng)老看護等領域迎來更廣闊的應用前景。

　　“腦語者”研究的合作者，中國電子信息產業(yè)集團數(shù)據(jù)科學家、中電云腦科技有限公司總經(jīng)理程龍龍博士表示，精解碼、高指令、快通信、強交互，是“腦語者”的四大優(yōu)勢，使“意念控制”距離我們不再遙遠。未來該芯片系列還將不斷“進化”，為新一代腦機智能發(fā)展提供技術支撐。

　　明東團隊的實驗系統(tǒng)也走向了太空。2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行過程中，兩位航天員完成人類歷史上首次太空腦機交互。明東是這套實驗系統(tǒng)的主要設計者，他帶領團隊與中國航天員中心合作，通過大量地基實驗深入揭示了失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實現(xiàn)了高識別度、高穩(wěn)定性、適于空間環(huán)境的腦機接口自適應分類技術；建立了針對航天特征的實驗策略和訓練方法，大幅提高系統(tǒng)識別正確率，為有效開展外太空和地球之間的差異對比建立穩(wěn)定基線。此次測試進一步牽引了多項未來中國空間站任務的成功立項開展，從而為我國載人航天工程的新一代醫(yī)學與人因保障系統(tǒng)提供了關鍵科學依據(jù)與技術支撐。

　　中國生物醫(yī)學工程學會副理事長、中國工程院院士顧曉松說：“我們的夢想是未來通過人腦控制能完成更多的深空探索。上天設備要求重量小、性能高、更集約。所以腦機編解碼集成芯片很自然地成為下一個研究方向。”“腦語者”的研制成功，給人類在太空中的探索又帶來了無限可能。今年，國際首顆人機交互科學試驗衛(wèi)星“天帷—天幄”號有望發(fā)射，一場人—星交互協(xié)作的空間實驗即將拉開帷幕。

　　明東介紹，腦機接口技術有三個發(fā)展階段：腦機接口、腦機交互和腦機融合。目前正由第一階段向第二階段發(fā)展過渡，未來腦機接口技術，將從目前腦機單向接口，進化為腦機雙向“交互”，最終有望實現(xiàn)腦機完全智能“融合”。

　　開學在即，將有150名本科生走進天津大學今年新設立的“新醫(yī)科實驗班”。這種以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器人等交叉學科前沿技術為醫(yī)學賦能，致力于培養(yǎng)具備家國情懷、全球視野、崇高醫(yī)德及人文關懷意識的醫(yī)學拔尖創(chuàng)新人才和醫(yī)工復合型領軍人才的培養(yǎng)模式，有望為腦機接口、智慧醫(yī)療等顛覆式創(chuàng)新領域培養(yǎng)出更多的研究者。

　　(本報記者 劉 茜 陳建強 本報通訊員 趙 暉)