腦洞打開還是腦洞大開？
2023-07-31 10:37:23陳冰
新民周刊 2023年26期
陳冰
腦機接口通過在人腦植入電極，將大腦內(nèi)容變成電腦可以理解的數(shù)據(jù)跟算法。
《黑客帝國》中，男主角尼奧通過在腦后插入一根線纜實現(xiàn)與“母體”系統(tǒng)的連接就可進入一個虛擬世界，用大腦意念獲得知識和發(fā)出指令。電影《阿凡達》中，雙腿癱瘓的前海軍陸戰(zhàn)隊員杰克“入艙”并頭戴非侵入式腦機接口裝置進入潘多拉星。以往科幻片中的腦洞大開的想象，正在靠著打開的腦洞一步步變成現(xiàn)實。
“腦機接口和AI是一座橋的兩邊，我們各自在向?qū)Ψ桨l(fā)展。AI正在通過大模型+千億級的參數(shù)+所有被數(shù)字化的文本變得越來越像人腦，而腦機接口通過在人腦植入電極，將大腦內(nèi)容變成電腦可以理解的數(shù)據(jù)跟算法。這是一個互相融合的過程?！?月6日，在世界人工智能大會“腦機智能與數(shù)字生命”主題論壇上，腦虎科技聯(lián)合創(chuàng)始人彭雷表示，碳基生命和硅基生命未來一定會走到一起。
腦機接口（brain-computer interface，BCI），這個誕生了50年的概念，如今不再高冷。腦機接口市場的打開將為商用芯片/通信IP廠商打開全新的市場空間。根據(jù)Mckinsey研究報告顯示，預(yù)計腦機接口相關(guān)市場規(guī)模在2030—2040年期間可達700億—2000億美元。長期來看，人腦或?qū)崿F(xiàn)與智能家居、計算機、通信設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，未來或形成新型人機互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)，帶來相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施需求。
腦機接口，正在成為下一個“風(fēng)口”。
搶占先機：從手機到腦機
腦機接口是生物技術(shù)（BT）與信息技術(shù)（IT）的跨界融合，隨著腦機接口、生物芯片、人造器官、AR手術(shù)等技術(shù)正在從理論走向應(yīng)用，生物層面的人類將與數(shù)字化的生活模式結(jié)合起來，也許未來的人類將是硅基器件與碳基生命融合。在這場數(shù)字生命的技術(shù)革命中，世界各國都在搶占先機。
腦機接口聽起來很科幻，但是它背后的原理其實非常樸素。人類的大腦每時每刻都產(chǎn)生思維意圖，其背后的物質(zhì)基礎(chǔ)就是神經(jīng)活動，神經(jīng)活動會產(chǎn)生神經(jīng)信號，這些信號背后蘊藏著跟我們意圖相關(guān)的特征。如果我們能夠用算法將其解碼出來，就能夠?qū)崿F(xiàn)意圖的識別。
所以說，腦機接口是一種直接建立在大腦與計算機之間的通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)思想與外物的互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)生物智能與機器智能交互融合，整個過程包括腦信號的采集、特征的提取、模式的識別以及最后轉(zhuǎn)化為機器指令，與外部進行通信。
根據(jù)電極放置的位置不同，腦機接口分成兩大類，侵入式腦機接口和非侵入式腦機接口。
非侵入式腦機接口將電極和傳感器放置在頭皮表面，它的優(yōu)勢是安全、無創(chuàng)、低成本，可監(jiān)測大規(guī)模的神經(jīng)活動，但是由于電極與目標神經(jīng)元離得比較遠，所以獲取到的信號非常微弱、模糊，為后續(xù)的解碼帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
侵入式腦機接口需要做開顱手術(shù)，將電極埋到腦子，它的優(yōu)點是能夠獲得高空間分辨率的信號，獲得的信號質(zhì)量比較高，但是手術(shù)會帶來一定的風(fēng)險。
目前，科學(xué)家已經(jīng)可以通過腦機接口幫助四肢癱瘓的病人用自己的大腦意念完成許多復(fù)雜的運動任務(wù)。除了解碼運動意圖，科學(xué)家們還可以解碼語言信息。2022年《自然》（Nature）公布數(shù)據(jù)表示，人類用意念打字可以實現(xiàn)99%準確率。全球腦機接口技術(shù)已然推進至產(chǎn)業(yè)發(fā)展期。
如果說手機作為一款消費級的電子產(chǎn)品被大家廣為接受，但是應(yīng)該沒幾個人愿意在自己的腦袋上打個洞、埋一個電極，從而擁有強大的“腦機”，所以，侵入式腦機接口也正向著小型化、安全化的方向發(fā)展。
目前，侵入式腦機接口有三大技術(shù)路線并行，分別是：
硅基硬質(zhì)電極系統(tǒng)，也是目前唯一獲美國食品藥品監(jiān)督局（FDA）批準可應(yīng)用于人體植入的腦機接口產(chǎn)品；血管支架電極，美國公司Synchron已于去年獲批人體臨床試驗，雖然采集通道數(shù)較少，但該路線侵入窗口小，安全性較高；柔性電極系統(tǒng)，通過MEMS技術(shù)做高通量電極，腦電采集通道可實現(xiàn)成千上萬的跨越，也是“科技狂人”馬斯克的腦機接口公司Neuralink，與國內(nèi)腦虎科技、階梯醫(yī)療、微靈醫(yī)療等多家腦機接口公司選擇的技術(shù)路徑。
非侵入式腦機接口產(chǎn)品也在快速發(fā)展中。
馬斯克的Neuralink公司開發(fā)的微型侵入式腦機接口系統(tǒng)，實現(xiàn)了微創(chuàng)的侵入性。2021年，Neuralink成功利用1024通道柔性電極實現(xiàn)猴子打游戲。
就在今年5月4日，南開大學(xué)段峰教授團隊也實現(xiàn)了微創(chuàng)介入。研究人員將腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，因此無需開顱即可采集到腦電信號，讓猴子通過大腦意念來控制機械臂。這種方式的創(chuàng)傷較侵入式腦機接口更小，信號質(zhì)量較非侵入式腦機接口更高。這也是全球首例成功的非人靈長類動物微創(chuàng)腦機接口試驗。
天津大學(xué)醫(yī)工院副院長許敏鵬教授在“腦機智能與數(shù)字生命”主題論壇上指出，手機是我們這一代人最主要的交流方式，也許下一代人的交流就是靠意念控制。而用意念控制離不開腦機接口，未來腦機接口將從經(jīng)典的腦機接口逐漸演變?yōu)槟X機交互最后到腦機智能的模式。
最終，腦機接口將實現(xiàn)“心之所想，隨意而動”，并成為元宇宙的終極入口。
探索性人體臨床試驗? ??
1973年，美國科學(xué)家第一次提出了腦機接口的概念。在這一概念誕生50周年之際，腦機接口公司Neuralink在今年5月獲得了美國食品和藥物管理局的批準，將啟動首次人體臨床研究，在四肢癱瘓或截肢的患者身上植入設(shè)備。
與此同時，在中國，腦機接口如今也已經(jīng)走過了20周年的歷程，并與美國同行站在了同一條起跑線上。
在剛剛結(jié)束的2023世界人工智能大會（WAIC）“腦機智能數(shù)字生命”主題論壇上，成立僅僅兩年的侵入式腦機接口公司腦虎科技，一口氣發(fā)布了七項階段性科研新成果，橫跨學(xué)術(shù)、科研、醫(yī)療臨床等領(lǐng)域，其中不少是全球首例。
“我們在今年5月，完成了全球首例將半侵入式腦機接口設(shè)備植入恒河猴進行打乒乓游戲的實驗?！蹦X虎科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO彭雷表示，該腦機接口植入恒河猴打游戲?qū)嶒灒诮獯a準確性上，預(yù)測軌跡和真實軌跡相關(guān)性85%以上，延遲性則控制在30ms以內(nèi)，同時實現(xiàn)14天以上的穩(wěn)定解碼。
這項科研成果的實驗對象是腦虎科技的動物員工——7歲的恒河猴“悟空”。首先，猴子經(jīng)過幾個月的訓(xùn)練，學(xué)會了打乒乓球，科學(xué)家同步完成相關(guān)信息采集。5月26日，“悟空”完成了電極植入手術(shù)，在植入256通道皮層電極后，可采集到LFP信號，并利用實時解碼數(shù)據(jù)讓猴子通過意念控制繼續(xù)游戲，達到“腦控”效果。
腦虎科技的另一個動物員工——2歲的拉布拉多犬“尼奧”也完成了一次電極植入手術(shù)，成功實現(xiàn)運動解碼。彭雷表示，他們將電極放置在尼奧腦部的M1運動區(qū)，后端通過數(shù)字腦電圖機來做信號采集跟處理，并配合以算法跟解碼軟件，以預(yù)測它的腿部運動軌跡跟腦電解碼出來軌跡之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示：兩者軌跡相關(guān)性為80%以上，解碼延遲在30毫秒內(nèi)。通過兩項動物實驗顯示，腦虎科技目前已實現(xiàn)了腦機接口系統(tǒng)從電極制備、信號采集、神經(jīng)解碼的全鏈條100%自研。
腦虎科技表示，在動物實驗上取得了進展之后，在3項探索性人體臨床試驗上也有新的突破。
2023年2月完成一項256通道柔性深部電極的植入手術(shù)，成功實現(xiàn)對單神經(jīng)元信號的有效記錄。5月，基于柔性皮層腦機接口技術(shù)，實現(xiàn)漢語言解碼與合成。6月，基于柔性皮層腦機接口技術(shù)，實現(xiàn)重要腦功能區(qū)定位，指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腦區(qū)病灶，保留患者的重要腦功能。
侵入式腦機接口當前還存在一系列待突破的挑戰(zhàn)和問題。第一面對大腦860億神經(jīng)元，腦機接口能夠采集的通道數(shù)在高通量的情況下也僅能采集上千通道的神經(jīng)元，尚且不能滿足精確解析大腦的要求，信號采集的“高通量”依然是各家正在跨越的難題；第二則是侵入式技術(shù)不得不面對的“創(chuàng)口”問題，開顱手術(shù)帶給患者的創(chuàng)傷是植入者必須考慮的問題，微創(chuàng)的探索也一直在持續(xù)；第三則是植入體的長期在體問題，除了解決生物相容性的問題，還需在長期在體的情況下仍能保持采集、讀寫信號的準確度。
柔性電極目前被稱為“最長期且可持續(xù)的技術(shù)路徑”，因為它可以解決三個最核心的問題，同樣也是這項技術(shù)產(chǎn)業(yè)在推廣上的三大核心要素：高通量、低創(chuàng)傷以及長期在體的穩(wěn)定性。
腦虎科技針對這三大核心要素，發(fā)布了兩項學(xué)術(shù)成果——
絲蛋白神經(jīng)光電極。利用絲蛋白與MEMS電極混合的多模態(tài)電極，用來實現(xiàn)大腦神經(jīng)解析與調(diào)控。在蠶絲蛋白做的光纖外部包裹上MEMS電極，實現(xiàn)了用光來刺激，同時用MEMS來采集一個完整的多模態(tài)的閉環(huán)調(diào)控。其次，因為蠶絲原本的柔軟性，可以使其在一定強度內(nèi)的光耗控制很好，植入時是硬質(zhì)的，植入后就會變軟，比傳統(tǒng)的石英光纖低4個數(shù)量級。
在腦虎科技的恒河猴實驗中，猴子可以“腦控”打乒乓球。
柔性電極植入手術(shù)機器人適用于腦機接口的科研和醫(yī)療使用。
類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針電極。利用類似于蚊子獨特的口器結(jié)構(gòu)，好比是一個外部較硬的物質(zhì)，撐開結(jié)構(gòu)再用柔性的吸管來吸血。這樣植入的特點是，植入時能保持較好的硬度，植入之后柔性電極能夠精準采集，而且可調(diào)節(jié)的梭針長度，能夠?qū)崿F(xiàn)對多個腦區(qū)的植入，適應(yīng)不同類型大腦表面的形態(tài)。無需進行硬腦膜移除手術(shù)且植入避開血管損傷，因為每一根探針背后都有一個非常高靈敏度的觸覺傳感器陣列，可以準確探測到在組織體內(nèi)是碰到腦組織還是碰到血管。術(shù)后信號采集具有出色表現(xiàn)，12小時之內(nèi)就能采集到高質(zhì)量的單神經(jīng)元信號。
彭雷表示，腦虎科技雖然很年輕，但在產(chǎn)品研發(fā)上一直在努力迭代，為此，他們還針對科研和醫(yī)療市場發(fā)布了兩款柔性電極植入的手術(shù)機器人和腦電采集芯片?！澳X科學(xué)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些痛點，這些痛點跟人工智能面臨的痛點非常類似，那就是對于產(chǎn)品的多樣化和軟硬件不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)和算法的不統(tǒng)一等問題。為此，腦虎科技面向全球腦科學(xué)家開放平臺，讓全球腦科學(xué)家實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可累計、算法的可分享，然后讓整個生態(tài)的迭代速度變快?！?/p>
此外，彭雷呼吁，希望更多從事腦科學(xué)領(lǐng)域的，無論是科學(xué)家、醫(yī)生、學(xué)者或者行業(yè)伙伴，一起加入建設(shè)開放平臺，通過打造BCI生態(tài)圈，讓腦科學(xué)也能像AI賦能千行百業(yè)一樣，以AI的迭代速度快速跑起來。
當然，即使柔性電極被證明在人體中是安全的，但距離實現(xiàn)商業(yè)化仍然需要數(shù)年甚至是超過十年，因為從臨床到最終上市，侵入式腦機接口設(shè)備還需要解決安全性、穩(wěn)定性、可靠性等眾多問題。
靠玩游戲治?。?/h3>
侵入式腦機接口需通過手術(shù)將電極植入大腦皮層等部位，而非侵入式腦機接口一般通過附著在頭皮上的可穿戴設(shè)備實現(xiàn)腦電信號采集，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，游戲或許是腦機接口技術(shù)最令人期待的載體之一。游戲企業(yè)，正在向腦機接口技術(shù)一步步靠近。
靠一款《原神》游戲賺了 200 億的米哈游，從去年開始布局腦機接口。米哈游宣布投資上海交大附屬瑞金醫(yī)院腦病中心，合作內(nèi)容主要是腦機接口技術(shù)的開發(fā)和臨床應(yīng)用。雙方共同成立“瑞金腦病中心米哈游聯(lián)合實驗室”，共同攻關(guān)“腦機接口神經(jīng)療法治療難治性抑郁癥臨床研究”項目中的關(guān)鍵問題。
長期從事難治性抑郁癥腦機接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究、在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院擔(dān)任腦機接口及神經(jīng)調(diào)控中心共同主任的孫伯民指出，瑞金醫(yī)院難治性抑郁癥腦機接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究項目，目前研究已入組23位患者，術(shù)后患者抑郁癥狀的平均改善超過60%?！皩τ陔y治性抑郁癥來說，60%的改善率已經(jīng)非常不容易。未來腦機接口技術(shù)將不僅僅局限于醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，也將通過游戲等其它載體，為多動癥、抑郁癥等疫病患者提供更加多元化的治療方案?！?/p>
2020年，陳天橋雒芊芊研究院下的腦科學(xué)前沿實驗室與數(shù)藥智能合作，利用VR設(shè)備破譯和調(diào)節(jié)腦神經(jīng)信號的傳輸，從而對阿爾茲海默癥進行治療。以神經(jīng)科學(xué)及腦機接口為底層技術(shù)開發(fā)的數(shù)字游戲基本原理是利用了美術(shù)、音樂、故事敘述和獎勵循環(huán)來保持患者專注力，促使腦神經(jīng)突觸之間的神經(jīng)遞質(zhì)增加，達到突觸的修復(fù)，使信息傳遞的傳遞軌跡正?；?/p>
2021年初，盛趣游戲孵化的生態(tài)公司數(shù)藥智能成立，開始研發(fā)輔助治療兒童多動癥的游戲《注意力強化訓(xùn)練軟件》。與此同時，波克城市也開啟游戲化數(shù)字療法戰(zhàn)略。用于兒童弱視治療訓(xùn)練的《快樂視界星球》游戲于2022年拿到二類醫(yī)療器械注冊證，另一款用于老年輕度認知障礙康復(fù)訓(xùn)練的《定制式鏈接記憶游戲》則在臨床實驗過程中。
游戲構(gòu)筑了每個老年人熟悉的日常世界，通過點擊屏幕，老人在自己虛擬居住的房間里，尋找物品，或者辨別家人的相貌和聲音來通關(guān)。設(shè)計者希望阿爾茲海默癥患者通過游戲進行“康復(fù)訓(xùn)練”，以此增強記憶。
眼下，游戲公司針對多動癥、孤獨癥、自閉癥、阿爾茲海默癥、弱視的游戲療法層出不窮，定位也從嚴肅醫(yī)療、康復(fù)訓(xùn)練，一路延伸到輔助教育。
接下來，腦機接口的賽道上還會出現(xiàn)哪些大咖入場呢？
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