腦機(jī)接口接入現(xiàn)實

周游

圖/視覺中國

電腦屏幕上，一個紅色的圓形光標(biāo)正緩慢移動，朝角落里的一個藍(lán)色圓形光標(biāo)靠近，二者最終完整重合。這是國內(nèi)首次利用微創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)，成功幫助高位截癱患者實現(xiàn)意念控制光標(biāo)移動的過程。

2月25日，高位截癱患者白皓在北京的家中向《中國新聞周刊》重現(xiàn)了這一場景。他于去年12月在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院接受了腦機(jī)接口植入手術(shù)，目前正在康復(fù)訓(xùn)練期。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、清華人工智能研究院副院長洪波是此次臨床試驗的負(fù)責(zé)人，白皓是洪波團(tuán)隊的第二名受試者。如今，白皓已經(jīng)能通過腦機(jī)接口操縱機(jī)械手套，實現(xiàn)水瓶的抓握。

2月20日，美國腦機(jī)接口公司Neuralink創(chuàng)始人埃隆·馬斯克在社交媒體平臺X上表示，Neuralink的首位人類受試者“似乎已完全康復(fù)，沒有出現(xiàn)不良反應(yīng)”，且也實現(xiàn)了“通過意念在屏幕上移動鼠標(biāo)”的操作，但其未公布任何數(shù)據(jù)和細(xì)節(jié)。馬斯克曾于1月30日在X上稱，該受試者恢復(fù)良好，大腦信號顯示腦機(jī)接口“很有前景”。當(dāng)日，洪波團(tuán)隊也官宣了全球首例無線微創(chuàng)腦機(jī)接口植入的臨床試驗結(jié)果，團(tuán)隊第一名高位截癱受試者成功實現(xiàn)了腦控喝水。

今年1月，工信部、科技部等7部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，腦機(jī)接口是其中的創(chuàng)新標(biāo)志性產(chǎn)品之一。洪波對《中國新聞周刊》稱，腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用“沒有作業(yè)可抄”，只能一步一個腳印往前推進(jìn)，先從醫(yī)療器械做起，以幫助廣大脊髓損傷患者為首要目標(biāo)，實現(xiàn)其回歸社會的愿望。但從臨床科研到臨床醫(yī)療，腦機(jī)接口技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化之路還很長。

高位截癱患者的“第三只手”

白皓來自內(nèi)蒙古，2019年因車禍高位截癱，頸椎以下失去知覺，幾乎沒有活動能力，需要父母的全天陪護(hù)。平日里他大部分時間躺在床上，每天上下午各有一次康復(fù)器械訓(xùn)練。由于常年無法運動，他的骨骼和肌肉力量比常人弱，每次只能坐一兩個小時。植入腦機(jī)接口前，他習(xí)慣了用嘴叼著觸控筆，在平板電腦上進(jìn)行簡單閱讀和消遣。

去年12月手術(shù)后10天，白皓出院，立即投入到腦控訓(xùn)練中。白皓的父親已經(jīng)學(xué)會熟練地將腦機(jī)接口的主機(jī)綁在白皓手臂上，并將線圈對接到其腦袋后方的手術(shù)刀口處。就像手機(jī)無線充一樣，只要接通體外機(jī)電源，體內(nèi)處理器就能通過無線傳輸獲取電量，電腦屏幕的信號監(jiān)測軟件可以實時顯示腦電信號曲線，對應(yīng)著白皓腦內(nèi)植入的8個電極。

洪波團(tuán)隊開發(fā)了光標(biāo)控制的算法，他告訴《中國新聞周刊》，機(jī)械抓握和光標(biāo)追逐，看上去操作簡單，模擬起來卻很復(fù)雜，涉及腦電信號解碼和各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。屏幕上顯示的曲線蘊含著患者腦中特定的運動意圖，解讀得越精確，患者的操控就越自由和精準(zhǔn)。洪波表示，腦內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與體外的數(shù)據(jù)解碼，共同構(gòu)建了人腦和外部裝置之間的橋梁，這樣的“里應(yīng)外合”，是腦機(jī)接口最基本的工作邏輯。

洪波稱，團(tuán)隊研發(fā)的腦機(jī)接口為半侵入式微創(chuàng)無線腦機(jī)接口。半侵入式是指將采集腦電信號所用的電極植入顱腔內(nèi)，但不直接接觸腦細(xì)胞。團(tuán)隊采用的方法是將顱骨內(nèi)側(cè)磨薄，嵌入微型腦機(jī)接口處理器，半侵入式設(shè)計可有效避免腦內(nèi)感染和炎癥風(fēng)險。

2024年1月，白皓（化名）在家中通過控制腦機(jī)接口抓握一個有一定重量的水瓶，洪波團(tuán)隊同時采集腦電數(shù)據(jù)。圖/受訪者提供

目前，業(yè)內(nèi)還在研發(fā)非侵入式和侵入式腦機(jī)接口。非侵入式無須手術(shù)，只需將采集腦電信號的電極附著在頭皮上，這類設(shè)備已實現(xiàn)技術(shù)國產(chǎn)化并有產(chǎn)品上市。2020年，博?？悼萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的國內(nèi)首款超寬頻腦電采集設(shè)備獲得醫(yī)療器械注冊證，該設(shè)備像在使用者頭上戴了一頂網(wǎng)狀毛線帽，被稱為“腦電帽”。 復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師、中國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會腦機(jī)接口與交互分委會副主任吳勁松對《中國新聞周刊》表示，非侵入式提取的是局部信號，相當(dāng)于神經(jīng)元活動的平均值，雖然風(fēng)險小但精度較低，可實現(xiàn)功能不多。侵入式則使電極進(jìn)入大腦皮層，與神經(jīng)元近距離接觸，可以獲得更高質(zhì)量的神經(jīng)信號，但手術(shù)有風(fēng)險，且成本較高。

Neuralink發(fā)布的腦機(jī)接口就為侵入式。該公司的官網(wǎng)顯示，受試者需要向腦部植入一個硬幣大小的設(shè)備，與1024個柔性電極相連，由手術(shù)機(jī)器人將這些電極如縫紉機(jī)般植入大腦皮層內(nèi)。芯片將記錄到的腦電信號無線傳輸?shù)浇獯a運動意圖的應(yīng)用程序上，從而使患者能夠通過藍(lán)牙連接控制外部鼠標(biāo)和鍵盤等設(shè)備。

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)心理健康和神經(jīng)科學(xué)學(xué)院助理教授克里斯蒂安·赫夫在給《中國新聞周刊》的回復(fù)中稱，馬斯克團(tuán)隊的突破在于其首次實現(xiàn)了設(shè)備的無線全封閉人腦植入，并將信號的理論精度提升到了單神經(jīng)元水平。Neuralink的大量柔性電極可以跟單個神經(jīng)元建立電信號聯(lián)系，且會隨大腦浮動，顯著減少電極對腦組織的損傷。吳勁松稱，Neuralink的硬件集成工藝優(yōu)秀，能把設(shè)備做得足夠小、功率足夠低，從而不產(chǎn)生局部發(fā)熱。在工程技術(shù)和產(chǎn)品工藝上，國內(nèi)團(tuán)隊還存在可觀差距。

“我們和馬斯克的區(qū)別在于信號帶寬和安全性的權(quán)衡，而不在于絕對的優(yōu)劣?！焙椴ǚQ，腦電信號帶寬代表著信號的可解讀性和精度，其產(chǎn)品的帶寬肯定不如Neuralink，但侵入式產(chǎn)品向腦內(nèi)植入電極的風(fēng)險很高。由于侵入式腦機(jī)接口需在顱骨上開洞并嵌合傳感器，切口與器件一旦契合不夠完美，就存在腦內(nèi)細(xì)菌感染等風(fēng)險。其次，柔性電極雖避免了電極對腦細(xì)胞的損傷，但仍無法避免大腦對外來物的排異反應(yīng)。免疫細(xì)胞會在金屬電極表面聚集，形成“結(jié)痂”，長此以往將顯著影響電極的工作效率。而且，采用侵入式腦機(jī)接口，患者在手術(shù)后需要更多時間在醫(yī)院內(nèi)觀察。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高級工程師、微靈醫(yī)療科技有限公司創(chuàng)始人李驍健向《中國新聞周刊》表示，理想狀態(tài)下，電極越多越密，腦神經(jīng)電信號的空間分辨率就越高，而且越能反映單一神經(jīng)元的活動。但實際操作中，電極“很占地兒”，會把神經(jīng)元擠壞，屬于有損檢測。動物實驗顯示，因排異反應(yīng)的“結(jié)痂”問題會造成電極壽命不長，用幾個月信號就明顯變差。信號不足以做解碼的時候就只能手術(shù)取出電極，且取出電極的區(qū)域腦組織環(huán)境已被破壞，無法再次植入。侵入式腦機(jī)接口的安全性和復(fù)用性目前依然未解決。

找到白皓前，洪波團(tuán)隊的第一名受試者是54歲的患者楊峰。他于去年10月24日在首都醫(yī)科大學(xué)北京宣武醫(yī)院接受了相同的腦機(jī)接口手術(shù)。該患者2009年同樣因車禍造成高位截癱，但其右臂活動性比白皓稍好，不僅能操控機(jī)械手進(jìn)行抓握，還能完成喝水的操作，其抓握準(zhǔn)確率超90％。

洪波表示，動物實驗和兩例人體試驗都證明了這套裝置的安全性和有效性。團(tuán)隊當(dāng)前的目標(biāo)是先讓第一版技術(shù)成熟，拿到國家批準(zhǔn)的醫(yī)療器械注冊證，再考慮探索適應(yīng)證。未來，隨著設(shè)備能力提升，腦機(jī)接口的應(yīng)用范疇將從患者的“第三只手”過渡到行走、運動。從原理上來說，語言解碼，腦電刺激治療癲癇、抑郁癥、漸凍癥等都是潛在應(yīng)用領(lǐng)域，未來的腦機(jī)接口或?qū)⒊蔀橥ㄓ眯歪t(yī)療器械，造福多種神經(jīng)退行性疾病的患者。

半侵入式或成為國內(nèi)技術(shù)路線

洪波稱，不少患者拒絕參加腦機(jī)接口臨床試驗的原因在于擔(dān)心手術(shù)風(fēng)險、后遺癥等方面，因此在國內(nèi)，采取半侵入式的折中方案，才有可能說服患者參加試驗。這也意味著，非侵入式、半侵入式的設(shè)計或優(yōu)先成為國內(nèi)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線。

招募患者只是腦機(jī)接口技術(shù)向臨床應(yīng)用推進(jìn)的困難之一。李驍健表示，腦機(jī)接口還處于臨床科研階段，正在從動物實驗向人體試驗過渡，需要一些樣本和先例。美國在創(chuàng)新型醫(yī)療器械方面走在世界前列，評審監(jiān)管經(jīng)驗比較豐富。Nerualink的方案在美國也只是剛進(jìn)入科研級臨床人體試驗，出于安全考慮，這樣的方案放在國內(nèi)將難以獲批。

按照國務(wù)院2021年發(fā)布的《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》，創(chuàng)新型醫(yī)療器械進(jìn)入人體試驗前，要通過安全性和倫理兩層審查。洪波表示，安全性檢驗涉及電氣安全、生物相容性等數(shù)十項測試，由專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行。倫理審查則由醫(yī)院組織的倫理審查委員會進(jìn)行。楊峰和白皓這兩例試驗在去年5月和8月分別通過了倫理審查。在洪波看來，研究團(tuán)隊需要讓倫理審查委員會的專家相信，患者的收益遠(yuǎn)大于其承擔(dān)的風(fēng)險。侵入性腦機(jī)接口顯然還不具備這樣的條件。多位受訪者表示，Neuralink在人體試驗前并沒有提供完善的動物實驗風(fēng)險控制證據(jù)。

在洪波看來，倫理審查機(jī)制不是腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化的堵點，國內(nèi)的倫理審查規(guī)范程度不落后于歐美，只要具備足夠的動物實驗數(shù)據(jù)，以及第三方機(jī)構(gòu)出具的安全性檢驗報告，通過倫理審查不會有困難。難點在于，國內(nèi)整體倫理審查標(biāo)準(zhǔn)更高，產(chǎn)品進(jìn)入臨床的條件更嚴(yán)苛。李驍健則表示，侵入式腦機(jī)接口器械是新技術(shù)，國內(nèi)能做安全性檢驗的機(jī)構(gòu)只有很少幾家，人手和設(shè)備都有限，經(jīng)常需要排隊申請，這在某種程度上也拖慢了臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)度。

去年10月，科技部等10部門印發(fā)的《科技倫理審查辦法（試行）》指出，包括腦機(jī)接口在內(nèi)的七項人體實驗技術(shù)需進(jìn)行嚴(yán)格的倫理審查，在臨床單位的倫理委員會審核后還須上報國家衛(wèi)健委。今年2月2日，科技部發(fā)布了國家科技倫理委員會人工智能倫理分委員會研究編制的《腦機(jī)接口研究倫理指引》，這是國內(nèi)首部針對腦機(jī)接口的倫理規(guī)范。該指引指出，侵入式腦機(jī)接口研究應(yīng)相對于非侵入式有更嚴(yán)格的規(guī)范，在有充分科學(xué)證據(jù)的前提下，需經(jīng)過嚴(yán)格審慎的評估程序來確定采用侵入式腦機(jī)接口的必要性。

國內(nèi)腦機(jī)接口企業(yè)在臨床轉(zhuǎn)化上動作不斷。2022年，上海腦虎科技有限公司獲得超9700萬元融資，開發(fā)了基于蠶絲材料的柔性電極，組織相容性和安全性超過同類產(chǎn)品。目前，該柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)已獲藥監(jiān)局臨床審批，正處于征召志愿者階段，主要針對漸凍癥和高位截癱群體。武漢衷華腦機(jī)融合科技發(fā)展有限公司開發(fā)了植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，最大通道數(shù)可達(dá)Neuralink產(chǎn)品的20倍，已通過專家組認(rèn)定成為“全球首創(chuàng)”，目前也已結(jié)束動物實驗，向人體試驗進(jìn)發(fā)。

在美國從事了8年視覺和運動系統(tǒng)的植入式腦機(jī)接口技術(shù)研究后，2018年，李驍健回國，次年，他和同事創(chuàng)辦了微靈醫(yī)療。過去5年里，他見證了腦機(jī)接口從“不受待見”到成為“風(fēng)口”。在他看來，腦機(jī)接口做醫(yī)療級成果轉(zhuǎn)化的初衷就是實現(xiàn)臨床應(yīng)用?，F(xiàn)在神經(jīng)退行性疾病還是不治之癥，這源于對人腦的了解太少。李驍健舉例稱，神經(jīng)電脈沖精度是亞毫秒級的，但是用于繪制大腦動態(tài)圖譜的核磁共振的測量精度為秒級，時間分辨率差了上千倍。人腦科學(xué)研究的滯后是對腦機(jī)接口應(yīng)用的根本限制。企業(yè)在成果轉(zhuǎn)化布局中，一要致力于通過植入式腦機(jī)接口技術(shù)推進(jìn)人腦科學(xué)研究，二要將較為成熟的技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療推廣和普及。

吳勁松認(rèn)為，目前，腦機(jī)接口技術(shù)突破大多在工藝方面，對于腦信號編解碼背后的科學(xué)原理還缺乏更深刻的了解。關(guān)于身體運動的信號解碼比較容易，但語言這類功能會更復(fù)雜，編解碼工作非常困難。至于記憶或者意識，其本質(zhì)是不是電信號尚未確定，在不清楚本質(zhì)的情況下，所謂上傳或者意識永生也無從談起。他舉例稱，人類的很多情緒反應(yīng)并不基于電信號，而是基于多巴胺等化學(xué)物質(zhì)在神經(jīng)細(xì)胞之間的傳遞，這種信號的模擬還未起步。

在李驍健看來，雖然腦機(jī)接口技術(shù)仍處在臨床科研階段，但其產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈已初具規(guī)模。國內(nèi)微納米加工技術(shù)較成熟，電子元器件的供應(yīng)鏈很完善，腦機(jī)接口的耗材不成問題。軟件解碼能力和支撐算力方面目前用于腦機(jī)接口也是足夠的。下游應(yīng)用方面，根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會官網(wǎng)數(shù)據(jù)，國內(nèi)有至少130萬脊髓損傷患者。吳勁松表示，腦機(jī)接口帶來的治療邏輯是從0到1的突破，將為這些患者帶來生活方式的質(zhì)變。

腦機(jī)接口還為楊峰帶來了意外之喜。洪波表示，在訓(xùn)練進(jìn)行到兩個月的某天，楊峰對研究人員說了句：“你的手好冷啊?！痹趫龅娜硕俭@呆了。楊峰自己也顯得不知所措，他的手已經(jīng)十多年沒感受到冷熱了。不僅如此，他還發(fā)現(xiàn)自己的手指有了抓握的感覺。

洪波表示，受損的神經(jīng)纖維可能因為不斷訓(xùn)練而有所恢復(fù)，這可以通過數(shù)據(jù)證實，目前這部分研究正待發(fā)表。美國匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教授安德魯·施瓦茨也對《中國新聞周刊》提到，大多數(shù)腦機(jī)接口的使用效果會隨著訓(xùn)練而改善，這與神經(jīng)可塑性有關(guān)，有點像大腦在學(xué)習(xí)使用新的視頻游戲控制器，會越來越熟練。腦機(jī)接口將有助于研究人類大腦，這也是其價值所在。

（文中白皓、楊峰為化名）