腦機接口技術(shù)：從生活走向太空

　　北京時(shí)間8月29日早上，在15萬(wàn)人圍觀(guān)的直播中，馬斯克發(fā)布了旗下公司Neuralink的腦機交互設備，并向大家展示了三只植入腦機芯片的小豬。

　　這次演示意在表明，Neuralink的腦機接口技術(shù)正在進(jìn)步，有望在未來(lái)某一天安全地應用于人類(lèi)。這種腦機接口技術(shù)可能會(huì )幫助一些身體狀況不那么理想的人。

　　我國的腦機接口研究者對此表示期待。那么，我們的腦機接口技術(shù)發(fā)展狀況是怎樣的呢？

　　腦機接口研究因患者起步

　　腦機接口，有時(shí)也稱(chēng)作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動(dòng)物腦(或者腦細胞的培養物)與外部設備間建立的直接連接通路。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是實(shí)現腦與機器之間的直接“對話(huà)”。該技術(shù)能用于教育、醫療，當下正被業(yè)內人士熱評為“技術(shù)上的新風(fēng)口”。中國科學(xué)院院士、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明在接受采訪(fǎng)時(shí)曾介紹：“腦機接口大致有兩類(lèi)，一種是非侵入式的，即將電極放在頭皮上，通過(guò)腦波診斷來(lái)判斷大腦的狀態(tài)，做疾病的診斷，還可以用腦波來(lái)控制外面的機器、外骨骼系統。另外一種是侵入式的，即直接把電極插入到大腦皮層，它可以記錄更多、更準確的大腦的反應，進(jìn)而更好地操縱外面的器械。”

　　馬斯克此次在新媒體上宣布的屬于侵入式腦機接口技術(shù)的應用。

　　在天津醫院康復科的治療室里，63歲的腦出血患者徐寶釧正在借助天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊研發(fā)的康復機器人系統，依靠運動(dòng)想象進(jìn)行手腕功能康復訓練。幫助他的康復機器人叫“神工”，核心技術(shù)就是腦機接口。

　　“神工”的“爸爸”是個(gè)70后的山東人，有著(zhù)令人印象深刻的名字——明東。1994年，明東考進(jìn)天津大學(xué)精儀學(xué)院生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)習。“我們專(zhuān)業(yè)本科學(xué)制5年，醫工兼修。在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復治療非常困難，當時(shí)我就想，如果通過(guò)機器采集和讀取腦電信號，然后解碼輸出控制信號，讓身體執行，是不是可以為截癱患者建立新的人工運動(dòng)神經(jīng)通路，重新獲得運動(dòng)能力。”

　　明東解釋?zhuān)骸按竽X是宇宙中最復雜的系統之一，不但有極為復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構，還有千變萬(wàn)化的動(dòng)態(tài)信息。每說(shuō)一段話(huà)，大腦里可能有上億個(gè)涉及的神經(jīng)細胞在發(fā)放電信號。”

　　頭皮腦電波的信號非常微弱，只有百萬(wàn)甚至千萬(wàn)分之一伏，科研工作者要通過(guò)傳感裝置監測不同活動(dòng)腦電波的變化，再通過(guò)這些信息研判出人在做什么樣的思考或者有什么意圖。捕捉、破譯頭皮腦電信號類(lèi)似于在非常嘈雜的購物中心遠遠地聽(tīng)見(jiàn)、聽(tīng)懂一個(gè)人自言自語(yǔ)的呢喃。聽(tīng)到腦語(yǔ)、解讀腦語(yǔ)、輸出腦語(yǔ)涉及到傳感、材料、算法、介質(zhì)……聽(tīng)上去都不輕松，研究過(guò)程的艱難可想而知。

　　2014年首臺適用于全肢體中風(fēng)康復的人工神經(jīng)機器人系統——“神工一號”研制成功。融合了運動(dòng)想象腦機接口技術(shù)和物理訓練康復療法，該系統在中風(fēng)患者體外，仿生構筑了一條人工神經(jīng)通路，經(jīng)過(guò)模擬解碼患者的運動(dòng)康復意念信息，進(jìn)而驅動(dòng)多級神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)，產(chǎn)生對應動(dòng)作。隨后“神工二號”“神工三號”相繼研發(fā)成功。目前，“神工”已通過(guò)國家食品藥品監督管理總局(CFDA)檢測，在天津、山東多地三甲醫院進(jìn)行臨床試驗，受益患者數千例。

　　明東解讀：“侵入式與非侵入式兩者各有利弊，如果把人的頭顱比作一個(gè)房間，非侵入式需要克服頭發(fā)、頭皮、顱骨等對信號的重重‘阻擋’；在大腦中植入芯片的侵入式就像在房間里聆聽(tīng)和輸出腦語(yǔ)，這種方式雖然聽(tīng)得清晰，但有安全風(fēng)險。我國科研工作者目前在腦機接口方面的優(yōu)勢研究方向更多集中在非侵入式，我相信隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，‘屋外’的聆聽(tīng)會(huì )和屋內一樣清晰，而且更安全。”

　　給太空探索帶來(lái)無(wú)限可能

　　在科學(xué)研究領(lǐng)域，世界各國都加大了對腦機接口技術(shù)的研究。腦機接口一直被列為美國最優(yōu)先支持發(fā)展的顛覆性創(chuàng )新技術(shù)之一，近十年里，美國在腦機接口領(lǐng)域發(fā)表的論文總數排名第一，我國位于第二位。

　　2019第三屆世界智能大會(huì )上，世界首款腦機編解碼集成芯片——“腦語(yǔ)者”面試，它能夠采用先進(jìn)的機器學(xué)習算法，對極微弱腦電特征進(jìn)行精細分辨與快速解碼，輸出一個(gè)指令僅需1.7秒，首次實(shí)現了一個(gè)108個(gè)字符的高速腦機交互系統。2020年2月6日出版的《自然》雜志中稱(chēng)“腦語(yǔ)者”保持了目前頭皮腦電BCI在線(xiàn)控制最大指令集的世界紀錄。

　　“有了腦語(yǔ)者芯片的加持，‘神工’可以化作一個(gè)體積更小的可穿戴便攜設備，可以輔助病人完成更多復雜而精細的肢體動(dòng)作，如果把顱電磁刺激技術(shù)、機械外骨骼技術(shù)和虛擬現實(shí)技術(shù)結合一起，將能幫助到更多的病人。此外，腦機接口技術(shù)還能為抑郁癥、自閉癥、阿爾茲海默癥等一系列精神和神經(jīng)系統疾病的診斷與治療帶來(lái)福音。”明東團隊骨干、天津大學(xué)神經(jīng)工程中心許敏鵬副教授介紹。

　　明東團隊還通過(guò)對大腦運行機制與人機交互的融合，將類(lèi)腦智能技術(shù)從治療出發(fā)開(kāi)始運用到生活的許多方面。國內首款人感仿生神經(jīng)系統，目前已成功應用于海爾集團的中央空調系統，空調有了如同人類(lèi)的“感覺(jué)神經(jīng)系統”，探測有多少人，怎樣送風(fēng)由智能決定。而未來(lái)，這一技術(shù)將在家庭物聯(lián)網(wǎng)、居家養老看護等領(lǐng)域迎來(lái)更廣闊的應用前景。

　　“腦語(yǔ)者”研究的合作者，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團數據科學(xué)家、中電云腦科技有限公司總經(jīng)理程龍龍博士表示，精解碼、高指令、快通信、強交互，是“腦語(yǔ)者”的四大優(yōu)勢，使“意念控制”距離我們不再遙遠。未來(lái)該芯片系列還將不斷“進(jìn)化”，為新一代腦機智能發(fā)展提供技術(shù)支撐。

　　明東團隊的實(shí)驗系統也走向了太空。2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行過(guò)程中，兩位航天員完成人類(lèi)歷史上首次太空腦機交互。明東是這套實(shí)驗系統的主要設計者，他帶領(lǐng)團隊與中國航天員中心合作，通過(guò)大量地基實(shí)驗深入揭示了失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實(shí)現了高識別度、高穩定性、適于空間環(huán)境的腦機接口自適應分類(lèi)技術(shù)；建立了針對航天特征的實(shí)驗策略和訓練方法，大幅提高系統識別正確率，為有效開(kāi)展外太空和地球之間的差異對比建立穩定基線(xiàn)。此次測試進(jìn)一步牽引了多項未來(lái)中國空間站任務(wù)的成功立項開(kāi)展，從而為我國載人航天工程的新一代醫學(xué)與人因保障系統提供了關(guān)鍵科學(xué)依據與技術(shù)支撐。

　　中國生物醫學(xué)工程學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、中國工程院院士顧曉松說(shuō)：“我們的夢(mèng)想是未來(lái)通過(guò)人腦控制能完成更多的深空探索。上天設備要求重量小、性能高、更集約。所以腦機編解碼集成芯片很自然地成為下一個(gè)研究方向。”“腦語(yǔ)者”的研制成功，給人類(lèi)在太空中的探索又帶來(lái)了無(wú)限可能。今年，國際首顆人機交互科學(xué)試驗衛星“天帷—天幄”號有望發(fā)射，一場(chǎng)人—星交互協(xié)作的空間實(shí)驗即將拉開(kāi)帷幕。

　　明東介紹，腦機接口技術(shù)有三個(gè)發(fā)展階段：腦機接口、腦機交互和腦機融合。目前正由第一階段向第二階段發(fā)展過(guò)渡，未來(lái)腦機接口技術(shù)，將從目前腦機單向接口，進(jìn)化為腦機雙向“交互”，最終有望實(shí)現腦機完全智能“融合”。

　　開(kāi)學(xué)在即，將有150名本科生走進(jìn)天津大學(xué)今年新設立的“新醫科實(shí)驗班”。這種以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、機器人等交叉學(xué)科前沿技術(shù)為醫學(xué)賦能，致力于培養具備家國情懷、全球視野、崇高醫德及人文關(guān)懷意識的醫學(xué)拔尖創(chuàng )新人才和醫工復合型領(lǐng)軍人才的培養模式，有望為腦機接口、智慧醫療等顛覆式創(chuàng )新領(lǐng)域培養出更多的研究者。

　　(本報記者 劉 茜 陳建強 本報通訊員 趙 暉)