腦機(jī)接口已實(shí)現(xiàn) 大腦入侵成現(xiàn)實(shí)

文　Serina

大腦是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級(jí)部分，也是腦的主要部分。成人的大腦內(nèi)有140億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，它們通過(guò)復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)交聯(lián)在一起，控制著人類高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)，包括人類的思考及身體各部位的運(yùn)動(dòng)。

腦機(jī)接口，顧名思義，是由人類大腦和計(jì)算機(jī)等外圍設(shè)備等連接而成的智能裝置。在日本漫畫(huà)家士郎正宗的作品《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》中，漫畫(huà)女主草雉素子的腦后被植入可以與電腦連接的可插拔式接口即作者對(duì)于未來(lái)生活中腦機(jī)接口作用方式的一種設(shè)想。在漫畫(huà)中，大腦與電腦連接并融合后將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接，并可直接控制電子設(shè)備，使人類擁有更多技能。但在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)現(xiàn)人腦數(shù)據(jù)與電子數(shù)據(jù)的對(duì)接與相互轉(zhuǎn)換，卻遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單。在21世紀(jì)的今天，腦機(jī)接口是一項(xiàng)融合了解剖學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制及心理學(xué)等的前沿交叉學(xué)科。

腦電波產(chǎn)生的原理

將大腦與電腦相連，其核心原理就是以外圍電子設(shè)備識(shí)別大腦發(fā)出的命令，將其轉(zhuǎn)化成電腦可處理的信號(hào)。在過(guò)去的幾十年間，神經(jīng)生物學(xué)家和腦科學(xué)家一直致力于破解大腦進(jìn)行思考及肢體運(yùn)動(dòng)的工作原理。他們發(fā)現(xiàn)，大腦主要通過(guò)神經(jīng)元間電位傳導(dǎo)形成思維及對(duì)運(yùn)動(dòng)的指令。

用腦電波控制假肢做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)

何為電位傳導(dǎo)？與生物體內(nèi)大多數(shù)細(xì)胞一樣，神經(jīng)元周圍Na+離子含量非常豐富，而細(xì)胞內(nèi)部的Na+則相對(duì)較少，這樣在細(xì)胞膜內(nèi)外形成了一個(gè)“外高內(nèi)低”的離子濃度差。在神經(jīng)元細(xì)胞膜上存在大量Na+通道，當(dāng)這些Na+通道開(kāi)放時(shí)，在細(xì)胞膜上形成很多“孔洞”，使導(dǎo)致細(xì)胞外的Na+順濃度梯度流向胞內(nèi)。由于N a+帶正電荷，因此Na+的流動(dòng)就代表電子的流動(dòng)，這個(gè)生理學(xué)過(guò)程被稱為生物電現(xiàn)象。而每一次Na+內(nèi)流后導(dǎo)致的電子流動(dòng)被稱為動(dòng)作電位。成熟的神經(jīng)元有很多樹(shù)叉般的分支，在任何一個(gè)部位發(fā)生的動(dòng)作電位會(huì)迅速傳遞至整個(gè)細(xì)胞和相鄰神經(jīng)細(xì)胞，形成電脈沖。數(shù)個(gè)神經(jīng)元的電脈沖信號(hào)相互傳遞、疊加后即可形成我們熟知的腦電波。

雖然神經(jīng)元的激活和傳遞信號(hào)的方式是單一的，但不同的神經(jīng)元間進(jìn)行協(xié)調(diào)產(chǎn)生的大腦功能卻是復(fù)雜的。在多數(shù)時(shí)間，大腦需要同時(shí)進(jìn)行高級(jí)思考、控制運(yùn)動(dòng)、發(fā)生感覺(jué)等多項(xiàng)腦功能。在長(zhǎng)期的演化中，人類的大腦進(jìn)化出不同的腦區(qū)，每個(gè)腦區(qū)內(nèi)神經(jīng)元電位的改變代表相應(yīng)的功能被激活。如位于額葉的高級(jí)心理機(jī)能區(qū)和人的情緒、情感與機(jī)能相關(guān)，切除前額葉的猴子無(wú)法形成自我意識(shí)。由于高級(jí)心理功能是一個(gè)較為抽象的能力，神經(jīng)元之間是如何將信號(hào)轉(zhuǎn)化成自我意識(shí)的具體機(jī)制還不得而知。但與此相對(duì)的，視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)功能區(qū)等一些比較直觀、簡(jiǎn)單的功能，已得到廣泛而深入的研究。因此，在腦機(jī)接口的發(fā)展中，利用外圍電子設(shè)備解碼大腦的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及運(yùn)動(dòng)功能的研究也發(fā)展得更為迅速。

腦機(jī)接口技術(shù)的研究

事實(shí)上，“腦機(jī)接口”這一術(shù)語(yǔ)即是1973年由美國(guó)科學(xué)家維達(dá)爾在研究人視覺(jué)時(shí)提出的。他以大腦視覺(jué)區(qū)受到刺激后其神經(jīng)元產(chǎn)生的誘發(fā)電位為控制信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程將電位信號(hào)轉(zhuǎn)換成電腦屏幕上的光標(biāo)位置，使操作者通過(guò)視覺(jué)控制光標(biāo)成功穿越二維迷宮。這被認(rèn)為是腦機(jī)接口的雛形。

1989年，美國(guó)費(fèi)城MCP哈內(nèi)曼大學(xué)的約翰K.切賓教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展了關(guān)于用計(jì)算機(jī)解析運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的研究。他們?cè)诖笫蟮拇竽X內(nèi)通過(guò)手術(shù)插入電極，同時(shí)檢測(cè)46個(gè)神經(jīng)元的電位變化。他們首先訓(xùn)練大鼠通過(guò)壓動(dòng)一個(gè)杠桿取到水喝，當(dāng)大鼠可以熟練完成動(dòng)作后杠桿被取走，大鼠必須在大腦中“想象”壓動(dòng)杠桿，激活相關(guān)腦區(qū)后將電信號(hào)傳遞給電腦，電腦會(huì)自動(dòng)向籠中注水。這即是著名的大鼠壓桿實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著腦機(jī)接口研究體系的基本確立。

2008年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)施瓦茨教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以成功記錄并分析100個(gè)以上神經(jīng)元的活動(dòng)。當(dāng)年的《自然》雜志報(bào)道了他們這一杰出的研究成果。他們以猴子為研究對(duì)象，首先訓(xùn)練猴子用操縱桿控制機(jī)械手為自己取食，并利用植入的電極記錄下猴子腦內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)。隨后將猴子的手綁起來(lái)，使猴子在腦內(nèi)“想象”操作機(jī)械手并通過(guò)向電腦發(fā)射神經(jīng)元信號(hào)控制機(jī)械手抓取食物。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，猴子甚至可以繞過(guò)障礙物控制機(jī)械手去取食，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室拖動(dòng)食物時(shí)，猴子也能調(diào)整機(jī)械手去做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，至今為止，腦機(jī)接口技術(shù)已進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。根據(jù)腦電波檢測(cè)的方式劃分，腦機(jī)接口技術(shù)可以分為非植入式及植入式兩大類。非侵入式通過(guò)在頭部佩戴電極帽的方式對(duì)腦電波進(jìn)行信號(hào)采集。在2016年12月央視播出的《挑戰(zhàn)不可能》綜藝節(jié)目中，浙江大學(xué)研究生黃麗鵬利用這種設(shè)備控制大鼠的運(yùn)動(dòng)方向，并先后穿越了障礙物、小橋、隧道及沙漠成功到達(dá)目的地并完成挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)者在大鼠腦內(nèi)事先安插了電極，與大鼠攜帶背包內(nèi)的芯片相連。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者的大腦發(fā)出指令后，芯片內(nèi)儲(chǔ)存的算法可將腦電波解碼，使電極產(chǎn)生刺激信號(hào)，從而控制大鼠的運(yùn)動(dòng)行為。

非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)具有無(wú)損、方便攜帶、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但由于電極帽與腦神經(jīng)相隔甚遠(yuǎn)，電極帽采集的實(shí)為頭皮腦電信號(hào)，具有信號(hào)采集緩慢、精細(xì)度不高、信噪比低、信息量少、噪聲干擾等不可避免的缺點(diǎn)，限制了非植入式腦機(jī)接口在臨床方面的應(yīng)用。但其在游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)等方向具有廣闊的應(yīng)用前景。如奧地利的格拉茨大學(xué)開(kāi)發(fā)的一臺(tái)基于非植入式腦機(jī)接口的魔獸世界游戲中，體驗(yàn)者可以通過(guò)想象左右手控制游戲人物左右轉(zhuǎn)向，通過(guò)想象雙腿運(yùn)動(dòng)控制游戲人物前進(jìn)。

機(jī)器人會(huì)聰明到什么程度？

與此相對(duì)，侵入式腦機(jī)接口是一項(xiàng)基于在腦內(nèi)通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)在大腦皮層中植入電極的腦機(jī)接口技術(shù)。與非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)相比，具有采集的信號(hào)分辨率高、運(yùn)動(dòng)信息量大等顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)者利用侵入式腦機(jī)接口可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、多維的自由運(yùn)動(dòng)。

在2017年《柳葉刀》發(fā)表的一項(xiàng)相關(guān)治療成果介紹了這種侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的最新應(yīng)用實(shí)例。癱瘓患者科奇瓦爾具有健康的大腦，但一場(chǎng)不幸的車禍?zhǔn)顾チ藢?duì)四肢的控制能力。在治療期間，美國(guó)俄亥俄州克里夫蘭凱斯西儲(chǔ)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師博盧·阿吉博耶通過(guò)手術(shù)分別在科奇瓦爾的腦部運(yùn)動(dòng)皮層植入了電極傳感器，并在手臂植入了36個(gè)肌肉刺激電極，包括幫助恢復(fù)手指、拇指、手肘和肩膀動(dòng)作的4個(gè)電極。這些電極都與電腦相連。當(dāng)科奇瓦爾觀察屏幕中的假象手臂并“想象”進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，他的大腦發(fā)出運(yùn)動(dòng)的腦電信號(hào)會(huì)被植入運(yùn)動(dòng)皮層的感應(yīng)芯片捕捉到，并經(jīng)傳輸線遞呈至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析與轉(zhuǎn)換，并向位于手臂的肌肉刺激電極發(fā)出電腦指令，指揮手臂做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)18周訓(xùn)練后，科奇瓦爾已經(jīng)可以成功實(shí)現(xiàn)利用外圍設(shè)備進(jìn)行伸手和抓取，并完成飲食等較為復(fù)雜的行為?？梢哉f(shuō)，腦機(jī)接口技術(shù)為癱瘓人群回復(fù)日?；顒?dòng)的可能性帶來(lái)了切實(shí)可行的替代方案。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信這個(gè)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制，幫助更多的癱瘓人群重獲新生。