腦機接口的物理學

李威

西德尼 · 珀科維茲深入淺出地介紹研究人員為研發(fā)更安全、更耐用、惠及更多人群的腦機接口所做的諸多前沿工作。

人類大腦是一種復雜到驚人的機器。人類大腦皮層擁有800多億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元又有1000個突觸。我們的大腦每秒大約要處理100兆比特的信息。想象一下，要是在我們思考的時候，嘗試實時測量、提取并解釋我們大腦中的所有信號，會是什么場景？記錄大腦曾經(jīng)只是科幻小說和電影——比如《X戰(zhàn)警》（X-Men）和《黑客帝國》（The Matrix）——才有的情節(jié)，但現(xiàn)在，我們真的有可能把大腦同計算機連在一起，并且通過這種系統(tǒng)控制機械手臂，或者把你腦海中的想法記錄下來。

腦機接口（BCI）的作用就相當于人類大腦和外部設備（通常是計算機）之間的橋梁。腦機接口收集大腦中的電信號，經(jīng)過分析后將其轉化為計算機可以理解并執(zhí)行的指令。另一方面，腦機接口也可以用外部信號調(diào)控大腦。由于神經(jīng)科學、生物醫(yī)藥學、物理學和相關技術的共同發(fā)展，我們現(xiàn)在可以借助腦機接口改變患有嚴重疾病的人的生活。另外，腦機接口在機器人、神經(jīng)科學、技術、游戲和計算機等諸多產(chǎn)業(yè)中也有廣泛應用。

在過去25年里，腦機接口讓癱瘓人士得以用思維操作計算機。腦機接口幫助人類恢復了因卒中而喪失的語言能力，讓那些肢體殘缺或癱瘓的人重新獲得相關功能，至少也能幫助他們操作機械手臂和手掌。通過腦機接口，我們已經(jīng)能診斷出癲癇和其他一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病，并且為成千上萬人緩解了此類病癥。腦機接口甚至有望讓盲人恢復視力。

然而，上述例子中的大多數(shù)都需要患者做大腦外科手術，從而將電極放置在大腦表層（皮層）之上或之內(nèi)，甚至可能會放到更深的部位。這顯然是有風險的，因為可能會導致出血或感染。另一個問題是，研究人員目前還不清楚植入電極會對大腦組織產(chǎn)生何種影響、造成何種潛在的傷害，同時也不清楚電極的效果能持續(xù)多長時間。如此種種都意味著，就目前的狀態(tài)來說，電子植入物并不能安全且可靠地長期幫助數(shù)百萬能夠從中獲益的人。實際上，目前，只有在其他所有治療方案都無效，或是在實驗中，才會在人類大腦中植入電極——全世界大約有50名生活嚴重受限（比如癱瘓）的人接受了此類手術——因為只有在這種情況下，改善生活水平的收益才會大于手術風險。

幸運的是，部分問題的解決方案或許就在物理學原理和方法中。物理學可以讓這些電子植入設備更加安全、更加耐用并且更加廉價，惠及更多人群。此外，物理學還能改善腦機接口的植入方法和使用材料。當然，更關鍵的還是可以通過光、磁場或超聲波與大腦相互作用的方式完成腦機接口的植入或者說配對，從而減少或消除做大腦手術的需要。無線、便攜或可穿戴的非侵入式腦機接口可以大大推動與大腦相關的研究和醫(yī)療手段，當然也能讓普通人在日常生活中使用。

記錄思想

從古代一直到19世紀，醫(yī)生和實驗家其實一直在不經(jīng)意間嘗試各種為醫(yī)學治療而改變大腦電活動的基礎實驗。1924年，德國精神病學家漢斯 · 伯杰（Hans Berger）把電極放在病患的頭骨上，記錄大腦電活動，從而發(fā)明了腦電圖（EEG）技術。從此，這個領域便登上了嚴謹?shù)膶W術殿堂。20世紀70年代，物理學家和計算機科學家雅克 · 維達爾（Jacques Vidal）展示了通過思維控制外部設備的過程——裝配腦電圖的人類志愿者通過思想移動電腦屏幕上顯示的光標。

目前，腦電圖仍舊是一種頗有價值的非侵入性工具，可以幫助醫(yī)生診斷癲癇等疾病，查找病人患上此類疾病的原因和類型，同時還能研究癡呆、大腦腫瘤和腦震蕩等其他癥狀。然而，腦電圖只能對大量神經(jīng)元做采樣，而且信噪比很低，因此很難將信號同特定的大腦活動聯(lián)系起來。

另一方面，植入式電極倒是能直接采樣特定的神經(jīng)元。1998年，在亞特蘭大工作的神經(jīng)學家菲利普 · 肯尼迪（Philip Kennedy）在一名稱為“JR”的病人（他因卒中而癱瘓）的大腦中植入了定制的電極，從而在實驗層面證明了植入式電極可以采樣特定的神經(jīng)元。這位不幸的病患認知能力完好，但就是不能移動和說話了。最后，植入了電極的JR學會了用思維控制電腦光標拼寫單詞同外界交流。

現(xiàn)在，很多研究人員和臨床醫(yī)生都在使用一種植入式電極陣列，也就是布萊克洛克神經(jīng)科技公司的“尤他陣列”。這是一種定制的硅產(chǎn)品，在4毫米×4毫米的絕緣襯底上以400微米的間隔（大約是一粒胡椒粒的大?。┡渲?00個p型硅電極，組成一個10×10的陣列。這些電極長度在0.5～1.5毫米之間，頂端覆有鉑或氧化銥。全球范圍內(nèi)大約有30名飽受各種癱瘓癥狀困擾的患者植入了此類設備。舉個例子，2015年，南森 · 柯普蘭（Nathan Copeland）就植入了4個尤他電極?？缕仗m在2004年遭遇車禍，胸部以下癱瘓。借助這些植入物，柯普蘭可以用思維控制計算機，播放視頻，控制機械手臂。截至寫作本文時，柯普蘭是植入這類電極時間最長的患者，但我們目前仍未充分了解這種侵入式腦機接口技術的真正長期影響。

減少侵入性

在大腦中植入電極或其他任何人工植入物的問題在于，它們會引發(fā)免疫反應，使鄰近的組織發(fā)炎并留下疤痕。從機械角度上說，堅硬的電極與柔軟的大腦組織之間顯然也不匹配，這會放大上述問題，進而削弱電極性能。

然而，尋找適合做電極和襯底的具備相應電性能的耐用生物相容性材料是物理學和材料科學面臨的一大挑戰(zhàn)。目前來看，有希望的候選材料包括柔軟的柔性導電聚合體，以及極薄的電導體，如碳納米管和硅納米線等。

此外，研究人員還在努力通過調(diào)整現(xiàn)有的醫(yī)療技術盡可能降低大腦外科手術的風險。他們通常用支架——一種微小的空心圓柱體——撐開人體內(nèi)各種類型的血管。支架的一種常見用途是保持冠狀動脈暢通，一般認為相關手術侵入性很小。同步神經(jīng)科技公司開發(fā)了一種名為“支架電極”（支架電極記錄陣列）的設備。從本質(zhì)上說，這種產(chǎn)品就是把電極安裝在支架上，然后再把整個支架永久植入大腦中的一根血管。支架電極可以探測到大腦信號，并且通過無線的方式把信號傳輸給計算機。在人類試驗中，支架電極可以讓那些癱瘓被試操作計算機。

美國公司神經(jīng)連接（Neuralink，埃隆 · 馬斯克是這家公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一）則在2019年宣布，他們使用了另一種方法開發(fā)出了一種腦機接口，只需使用手術機器人就能把它植入頭骨，并且也能在大腦中植入至少1024個柔性電極。自那之后，神經(jīng)連接就沒有披露更多信息。不過，這家公司的產(chǎn)品最近得到了美國食品藥品管理局（FDA）的批準，未來應該會公開更多相關內(nèi)容。無論具體形式如何，以電極為基礎的腦機接口未來仍將扮演重要角色，畢竟它們的空間分辨率高且響應迅速，但是，非侵入式腦機接口也在飛速發(fā)展之中。

光子探索大腦

在電磁波譜中，近紅外光（NIR）的波長在700～1400納米之間，只要功率密度控制在每平方厘米幾毫瓦以下的水平，近紅外光就能在不造成任何傷害的前提下穿透到頭骨下幾厘米處。一種叫作“光生物調(diào)節(jié)”的非侵入式近紅外方法表明，它的確可以刺激大腦。舉個例子，在2021年的一項臨床試驗中，研究人員將癡呆患者反復暴露在波長1060～1080納米的發(fā)光二極管（LED）燈光下。同對照組對比后發(fā)現(xiàn)，在認知功能與主觀情緒方面有顯著改善。研究人員認為，光可以增強細胞功能或是減少炎癥，但要想建立確切的理論機制，還需要更多可靠的相關研究。

第二種非侵入式方法叫作“功能性近紅外光譜”（fNIRs）。這種方法通過近紅外光測量大腦血液循環(huán)中血紅蛋白吸收的光的變化。由于脫氧血紅蛋白吸收近紅外光的方式與氧合血紅蛋白（HbO2）不同，應用這種技術便能繪制大腦活動。激活神經(jīng)元需要增加富含氧合血紅蛋白的血液流量，只有這樣才能檢測大腦功能。實驗時，研究人員將兩種波長的近紅外光施加在被試頭骨上，通過測量這兩種近紅外光在特定區(qū)域的衰減差異確定哪些大腦區(qū)域處于活躍狀態(tài)。目前，fNIRs已經(jīng)投入臨床應用，且美國可奈爾神經(jīng)科技公司正在開發(fā)一款頭戴式fNIRs耳機設備。這種設備用52個模塊覆蓋用戶頭骨，每個模塊都有能釋放690納米和850納米激光的激光源以及一個探測器。2021年，美國食品藥品管理局批準使用該設備測試大腦對迷幻藥物的反應。

雖然含氧血流的形成需要幾秒鐘時間——這使得fNIRs響應速度太慢，不足以控制外部設備——但這種技術確實能提供比腦電圖更高的空間分辨率和更好的信噪比，這就意味著fNIRs可以更準確地探明大腦活動。fNIRs頭戴式設備甚至可以測量被試自由運動時的大腦活動，這使得繪制大腦圖譜和診斷不同情況下的神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)成為可能。

使用另一種方法——叫作“事件相關光學信號”（EROS）——可以獲得更快的響應速度。這種方法使用紅外光測量皮層腦組織的光學特性變化。當神經(jīng)元處于活躍狀態(tài)時，神經(jīng)組織與光的相互作用會發(fā)生變化，因為這增加了光的散射，延長了光子穿過大腦的路徑，從而推遲了它們抵達探測器的時間。

在對人類被試的早期實驗中，研究人員讓近紅外光通過光纖穿透顱骨，之后又在神經(jīng)元激活之后不多于0.1秒的時間內(nèi)在很短的距離上檢測到這種近紅外光。因為整個測量過程對技術的要求很高，所以目前還沒有太多更深入的工作。不過，最近的一些研究結果表明，將EROS和fNIRs這兩種方法結合起來可以為開發(fā)空間和時間分辨率良好的非侵入式腦機接口打下良好基礎。

磁大腦

目前，還有一種追蹤大腦神經(jīng)活動的成熟非侵入式方法是“功能性磁共振成像”（fMRI）。標準磁共振成像的工作方法是在強磁場中檢測人體脂肪和水中質(zhì)子的行為，進而繪制全身結構的圖像。而fMRI則轉而檢測大腦中血流的信號——如前文所述，這種血流信號取決于血紅蛋白的氧合水平。與fNIRs類似，fMRI也同樣可以給神經(jīng)活動活躍的區(qū)域貼上標簽，但空間分辨率可以達到1毫米，而不只是1厘米。這樣一來，從神經(jīng)元發(fā)出信號到設備接收信號，總共大約只有幾秒鐘的延遲，從而可以近乎實時地繪制大腦圖像，但對用大腦控制外部設備這一目的來說，這個響應速度還是太慢。此外，fMRI還需要配有超導磁鐵的昂貴大型設備。

非侵入式的“腦磁圖描記術”（MEG）能夠讓響應速度變快。這種方法通過檢測活躍神經(jīng)元間流動的離子流產(chǎn)生的飛特斯拉（1 飛特斯拉=1×10-15特斯拉）磁場追蹤神經(jīng)元活動。測量這類磁場時，在頭皮附近放置高靈敏度超導量子干涉（SQUID）設備，同時，整個測量過程都要在具有屏蔽效果的房間內(nèi)進行，以防磁干擾。MEG的空間分辨率在1～2毫米，而且響應時間短至毫秒級，但需要運行成本頗高的龐大設備。

一種叫作“光泵磁強計”（OPM）的新型探測器是MEG的改良版本，能夠在室溫環(huán)境中測量大腦磁場。OPM用的是一塊充滿鋰原子蒸氣的小電池。一個調(diào)整到特定量子躍遷狀態(tài)的激光二極管以光學手段泵出蒸氣，使原子磁矩對齊。這種磁化過程與大腦磁場發(fā)生相互作用，改變了由探測器確定的蒸汽不透明度，從而使得測量磁場成為可能。

2023年早些時候，總部位于英國的塞爾卡磁鐵公司憑借開發(fā)OPM-MEG頭戴式大腦掃描設備而獲得了一個量子創(chuàng)新方面的獎項。這種設備由50個樂高積木大小的單元組成，這些單元安裝在能夠覆蓋整個大腦的全覆蓋式頭盔上。這種可穿戴式OPM-MEG腦機接口的原型設備已經(jīng)能夠在被試移動的時候做出神經(jīng)診斷。另外，因為這種設備空間分辨率和時間分辨率都很高，所以可能可以用來控制外部設備。

傾聽大腦

另一種便攜的非侵入性方式則是超聲波技術。我們現(xiàn)在廣泛采用超聲波技術拍攝身體結構——比如紅細胞——因為它們會反射出高頻聲波。在過去10年里，超聲波技術蓬勃發(fā)展。目前，“快速功能超聲”（fUS）已經(jīng)可以借助多普勒效應測量大腦血流，進而認證處于活躍狀態(tài)的神經(jīng)元。應用fUS技術時，探頭會產(chǎn)生超聲平面波并且通過數(shù)百個通道收集數(shù)據(jù)。接著，計算機匯聚、整合這些波，做進一步分析后快速生成高分辨率大腦功能圖像。對非人類靈長類動物的研究表明，通過顱骨上的微創(chuàng)口使用fUS技術，可以支持用于追蹤神經(jīng)沖動（代表身體運動）的腦機接口。此外，超聲波技術還可以用于“經(jīng)顱超聲刺激”（TUS）。這種調(diào)節(jié)神經(jīng)行為的方法，可以定位到大腦中幾立方毫米的范圍內(nèi)。在大量動物實驗之后，部分人類試驗表明，TUS可以治療像疼痛或抑郁這樣的神經(jīng)問題或精神問題。

非侵入式腦機接口的未來

未來，應該還會出現(xiàn)其他物理方法能在對大腦造成盡可能小的傷害的前提下進入大腦，它們可以作為對植入物的補充，甚至可能在未來某一天取代植入物，從而使腦機接口變得更安全、更便宜，也能更廣泛地應用于醫(yī)療實踐。英國紐卡斯爾大學神經(jīng)科學家安德魯 · 杰克遜（Andrew Jackson，從事神經(jīng)科學研究之前是物理學家）表示，就記錄大腦這個功能來說，目前最令人激動的技術是可穿戴式的OPM-MEG設備。他還補充說：“這同樣也是有意思的物理學課題！”同時，杰克遜還特別提到了超聲波技術在刺激大腦方面的價值。不過，他也警告稱：就目前來說，所有非侵入式技術的空間分辨率都無法達到植入物的水平。在將這些技術投入臨床應用（甚至更廣泛的用途）之前，還有很多工作要做。

如果非侵入式腦機接口能夠消除手術風險，那么即便是健康人都有可能產(chǎn)生借助這種技術增強自身感知能力乃至智力的動機。著名神經(jīng)科學家克里斯多夫 · 科赫（Kristof Koch）就曾指出，如果有一種安全的腦機接口能把大腦和計算機連接起來，從而讓人類直接下載信息到大腦中，那絕對是一件無比“美妙”的事。

2021年，舊金山初創(chuàng)公司思維大門（MindPortal）為開發(fā)一款用于虛擬現(xiàn)實游戲的“精神控制”頭戴式設備募集了500萬美元。這種設備使用的是一種已獲得專利的技術，沒有向大眾公開技術細節(jié)，可能是一種基于快速近紅外光的方法。在腦機接口的另一種應用中，經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）設備已經(jīng)能以相對適中的價格向公眾開放。這種設備會向人類顱骨施加毫安級別強度的電流，據(jù)說可以由此提升認知能力。

毫無疑問，面向大眾消費市場的神經(jīng)技術已經(jīng)興起。對此，神經(jīng)倫理學家指出，如果缺乏有效監(jiān)督和監(jiān)管，神經(jīng)技術的濫用可能會造成危害——此外，我們還必須考慮隱私和精神控制等方面的問題。在開發(fā)非侵入性腦機接口的過程中，研究人員也極大地推進了大腦方面的研究和治療，幫助嚴重殘疾的人士重獲自力更生的生活。與此同時，研究人員也應該清楚地意識到神經(jīng)技術設備在實驗室和臨床應用之外可能引發(fā)的諸多倫理困境。

波麗娜 · 艾尼基娃與新材料

波麗娜 · 艾尼基娃（Polina Anikeewa）是麻省理工學院（MIT）的一位跨學科科學家，研究領域涉及材料學、大腦研究和電子學。她在俄羅斯拿到生物物理學學士學位后，在麻省理工學院拿到了博士學位，研究方向集中在有機發(fā)光二極管（LED）和納米粒子上。作為一名對各種基礎概念了如指掌的物理學家，艾尼基娃意識到自己可以選擇從事“任何感興趣”的工作，只要能有所建樹即可。

于是，艾尼基娃就轉向了神經(jīng)科學領域，在斯坦福大學同卡爾 · 德塞羅斯（Karl Deisseroth）一道做研究，后者正是光遺傳學領域的開創(chuàng)者——所謂“光遺傳學”，實質(zhì)就是一種用光控制神經(jīng)元活動的突破性技術。也是在斯坦福大學，艾尼基娃平生第一次手捧人類大腦。那可不是什么堅實的東西，而是柔軟得“像布丁一樣”。那一刻，她頓悟了，意識到探測大腦的物理探針應該與其材料特征匹配，從而實現(xiàn)侵入性最小化且穩(wěn)定性最大化。艾尼基娃給出的方案是，制造一種直徑幾十微米的柔性多功能纖維，這種纖維可以通過光或向病患遞送藥物的方式刺激神經(jīng)元并且用電的方式記錄下神經(jīng)元反應。在廣泛應用這種材料于各種嚙齒動物的腦功能研究之后，艾尼基娃和她的合作者現(xiàn)在報告稱，首次在非人類靈長類動物上使用這種纖維研究實驗對象的大腦功能。這是朝著人類試驗邁出的關鍵一步。

艾尼基娃還利用自身的材料學學科背景研究以納米粒子作為大腦刺激源。她的研究結果表明，與“經(jīng)顱磁刺激”相比——所謂“經(jīng)顱磁刺激”，是指在顱骨上施加強度會變化的磁場，從而在顱骨下方的神經(jīng)元中誘發(fā)電流——由外部磁場激活的磁性納米粒子可以影響大腦的更深部位。

艾尼基娃和她的合作者還呼吁科學界與工程界在神經(jīng)技術發(fā)展一事上秉持負責任的態(tài)度。艾尼基娃認為，有了這種態(tài)度，再加上適當?shù)谋O(jiān)管，就能推動個人和社會應對神經(jīng)技術及其醫(yī)療用途（比如腦機接口）帶來的倫理問題。