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“心想事成”或成真

脑机接口有望成为消费级产品

  

2008年,匹兹堡大学的科学家通过在大脑运动皮层植入微电极阵列,构建起了一套脑控机械臂系统,并证明猴子可以利用该系统连续控制机械臂给自己喂食;2012年,布朗大学科学家利用开发出的BrainGate神经接口系统使四肢瘫痪的患者成功实现脑控机械臂,并在没有护理人员帮助的情况下喝到咖啡;2020年,浙江大学研究人员借助手术机器人将微电极阵列植入到脊髓损伤患者大脑运动皮层,让患者可控制机械臂完成吃、喝、握手等三维运动;2023年,华山医院、上海科技大学、天津大学通过建立适用于汉语声调的深度学习基础,在国际上首次实现了从大脑神经活动到汉语单音节声调语音的端到端合成。在天津大学医工院副院长徐敏鹏看来,脑机接口可以实现思想与外物的互联互通和生物智能和机器智能的交互融合,脑机接口听起来很科幻,但是它背后的原理其实是非常朴素的,徐敏鹏进一步解释说,大脑每时每刻都在产生思维意图,其背后的物质基础就是神经活动,神经活动会产生神经信号,如果能够用算法将其解码出来,就能够实现意图的识别。“智能的高阶形态就是‘人机混合智能’,下一代人机交互的方式就是意念控制。”■IT时报记者潘少颖
控制恒河猴打乒乓
  在2023世界人工智能大会“脑机智能与数字生命”主题论坛上,多位专家认为,人类正在进入人、机、物三元互融的时代,脑机接口被认为是元宇宙的入口之一。在更长远的未来,脑机接口必将成为大众消费级产品。
  据悉,脑虎科技已经在5月完成了全球首例将半侵入式脑机接口设备植入恒河猴进行打乒乓游戏的实验。其原理是通过信息解码,脑机接口设备可以早于恒河猴动作本身提前获取它将如何操作手柄的意图,并且在拔掉手柄控制线后实现它“脑控”游戏,其中,解码准确性上,预测轨迹和真实轨迹相关性达到85%以上,而延迟性则控制在30ms以内,并且连续14天实现稳定连续解码。恒河猴实验显示,通过全套的自研设备,可实时采集256通道的皮层脑电信号,完成恒河猴运动意图的连续解码,并利用实时解码数据让猴子通过意念控制继续游戏,达到“脑控”效果,这是迈向临床试验的第一步。脑虎科技是一家从事柔性脑机接口技术研究的科技公司。
  脑虎科技联合创始人兼CEO彭雷表示,除了7岁的恒河猴“悟空”完成了脑机接口的电极植入手术,成功实现通过意念打游戏的实验效果,还有一只2岁的拉布拉多犬“尼奥”,也进行了电极植入手术,并成功实现运动解码。同样也是通过256通道皮层电极,植入在尼奥的初级运动M1区,并在尼奥的腿部关节绑了九轴传感器,实验结果显示,预测轨迹和真实轨迹相关性达到80%以上,延迟性同样控制在30ms以内。下一步将是预测尼奥的腿部运动轨迹和脑电解码出来的轨迹之间的相关性。通过犬类实验中的运动轨迹高精度解码,已成功完成了多模态信号采集及复杂系统建模,实时解码实现脑电控制,未来将在医疗、军事等领域有更多的应用场景。
  今年以来,脑虎科技还陆续进行了3例临床科研下的患者人体试验。比如其中一例是将皮层电极用于患者术中的语言解码,这是一位44岁的女性患者,脑部放入了256通道的高密度柔性电极,记录患者在发音过程中的脑电信号。“国外有很多科学家做过语言解码的探索,都采用英语,这次我们的实验采用汉语,因为在汉语中,四声音调会很明显地影响所要表达的意思,但英语中音调并没有那么重要,通过语言解码实验,研究不同的音调发音在脑部语言区的工作方式。”彭雷解释。
两种接口方式各有利弊
  根据电极放置的位置不同,脑机接口分成侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。侵入式脑机接口需要做开颅手术,把电极埋到脑部,优点是能够获得高质量的信号,但是手术会带来一定的风险;非侵入式脑机接口将电极和传感器放置在头皮表面,它的优势是安全、无创、低成本,可监测大规模的神经活动,但是由于电极和目标神经元离得较远,所以获取到的信号非常微弱、模糊,为后续解码带来巨大挑战。
  不久前,埃隆·马斯克的Neuralink公司获得了美国FDA的批准,可以对人体进行首次临床试验。从正面来看,这有可能改变医学领域和人类社会,为阿茨海默病、帕金森病、癫痫等数以亿计的患者带来福音。同时,也面临着许多挑战和风险,比如如何确保植入式设备的安全性、稳定性、耐久性、可靠性,如何保护用户的隐私、自主权、身份等。
  Neuralink的柔性电极系统是用MEMS技术来做高通量电极,能够实现从几十通道到上千通道、到未来上万通道的跨越。
  在上海市精神卫生中心院长赵敏看来,脑机智能、数字生命在精神心理健康当中具有非常广泛的应用前景。“去年,我们获批国家精神医学中心以后,把人工智能和数字医学、智慧医疗作为重要发展方向。”赵敏说,精神科疾病包括比较难治的抑郁、毒品成瘾等,治疗方法有侵入式的DBS深部脑调控技术以及非侵入式的磁治疗、光治疗、电治疗等,但定位不精准,需要找到关键靶点,才能更好地干预患者。
消费级脑机接口或是未来方向
  成为消费级产品,一直是脑机接口业内的一大方向。在徐敏鹏看来,消费级脑机接口产品目前主要的两大技术问题是:不自然的脑机交互方式和不友好的脑机硬件形态。“对于不自然的脑机交互方式,尤其是非侵入式脑机接口,科研人员投入了太多的注意力在传统的三大脑机接口范式上面,但是三大脑机接口范式能力已经到天花板了,需要从原来的范式里面跳出来,寻找更高效、更自然的脑机交互的通信协议;不友好的脑机硬件形态,是指如果作为一款消费级产品,如果用户要带一个体积庞大的脑电帽,肯定是不愿意的,因此一定要向微型化、即插即用的脑电采集装置发展。”
  目前脑机接口技术依然如一个襁褓中的婴儿,还处在成长期。脑机接口三大亟待突破的问题是高通量、创口和植入。当脑机接口植入脑部,植入的电极要跟生物体能够共存,长期有效地记录信号,这对材料、植入术式都有非常高的要求,植入的技术能力也是需要攻关的。“人类大脑有860个神经元,但现在脑机接口只有几十通道上百通道的神经元采集和刺激能力,不能满足精确解析大脑的要求,在这个领域里,通道数一定要越来越高。”彭雷认为。去掉颅骨、硬脑膜,植入脑机接口,再缝合,这是一个相当大创伤的手术。未来,脑机接口的手术创伤一定会小到普通人都能接受。彭雷说:“当脑机接口植入的创伤能够和做一个激光近视眼手术相近的时候,这个技术就有机会能够普及了。”