腦機接口照進(jìn)現實(shí)：5位腦科學(xué)家帶來(lái)的最新啟示

大腦復雜、神秘，研究大腦被認為是人類(lèi)終極的探索之一。作為最為復雜的科學(xué)探索領(lǐng)域，大腦的研究既令人著(zhù)迷，也同樣令人望而生畏。

腦機接口技術(shù)會(huì )使人類(lèi)退化嗎？一旦腦機接口技術(shù)得到應用，人類(lèi)的自由意志會(huì )被他人操縱嗎？用人腦去研究人腦，如何克服我們自帶的主觀(guān)性？腦機接口是否能釋放人類(lèi)無(wú)限的潛力？

這些問(wèn)題看起來(lái)不切實(shí)際、腦洞大開(kāi)，實(shí)則不然。10年前科幻小說(shuō)和電影里的場(chǎng)景，如今已通過(guò)科學(xué)技術(shù)照進(jìn)現實(shí)。比如，我們已證實(shí)腦機接口技術(shù)可以重建人們的運動(dòng)能力，大腦損傷的患者靠意念進(jìn)行簡(jiǎn)單交流。近幾年腦機接口技術(shù)頻頻有新的進(jìn)展出現，但大眾對于腦機接口的感知仍然存在距離。這個(gè)復雜的研究領(lǐng)域目前有哪些瓶頸？腦機接口技術(shù)研究探索到了哪一步？有哪些新的技術(shù)出現？

9月16日，由天橋腦科學(xué)研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute, TCCI）主辦的“面向大眾的神經(jīng)技術(shù)”國際論壇，來(lái)自中國、美國、德國、荷蘭和新加坡的5位國際知名科學(xué)家分享了最前沿的神經(jīng)技術(shù)，深入探討了這些技術(shù)在臨床、心理和康復等領(lǐng)域的應用進(jìn)展。普羅大眾最疑惑的問(wèn)題在論壇中都會(huì )有答案，讓我們深入其中，看看這些研究大腦的“最強大腦”們帶來(lái)哪些腦機接口的最新進(jìn)展。

溯源：

人類(lèi)解碼大腦的夢(mèng)想照進(jìn)現實(shí)

早在20世紀30年代，自德國精神病學(xué)家Hans Berger發(fā)現腦電圖后，科學(xué)家們就開(kāi)始思考這些腦電波代表的意義。此后，人們做了多方面的嘗試。比如，在腦電圖的監測下，讓受試者想象字母，拼寫(xiě)成句，甚至直接想象句子，讓計算機解碼，使患者直接通過(guò)“意念”與外界交流。這些在過(guò)去的“科幻”，如今正在逐步變?yōu)楝F實(shí)。

目前，侵入性神經(jīng)技術(shù)（如腦深部電極）在臨床主要應用于帕金森病和癲癇的治療，雖然它們精確、有效，卻也面臨著(zhù)政策監管、價(jià)格昂貴、原理模糊等挑戰。相比之下，非侵入性的技術(shù)（如多導睡眠監測系統等）更易獲得批準，但精確性卻欠佳。

（Gerwin Schalk教授介紹通過(guò)應用神經(jīng)技術(shù)解碼人類(lèi)語(yǔ)言的研究）

在論壇中，天橋腦科學(xué)研究院應用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗室（TCCI Frontier Lab）主任Gerwin Schalk教授形象地解釋了腦科學(xué)家的工作：“這就像在一個(gè)體育場(chǎng)外面放一個(gè)話(huà)筒，你很難聽(tīng)到場(chǎng)館內的聲音。但如果我們在這個(gè)體育場(chǎng)外面放滿(mǎn)了話(huà)筒，就可以收集到更多的信息，這就是我們現在在做的事情?！?/p>

雖然百年來(lái)神經(jīng)技術(shù)應用已得到了飛速發(fā)展，但真正適用于病患和大眾的成功案例甚少，從實(shí)驗室研究到最終應用之間還有很長(cháng)的路，需要多學(xué)科的融合和共建。Schalk教授團隊開(kāi)發(fā)的腦機接口研究系統成績(jì)斐然。傳統的電刺激檢測腦功能區域可能需要好幾個(gè)小時(shí)，Schalk教授團隊開(kāi)發(fā)的系統只需要數分鐘。如今，這套系統已在世界范圍內得到了廣泛應用。面向未來(lái)，Schalk教授希望能在天橋腦科學(xué)研究院（TCCI）繼續研究適合中國大規模人群腦機接口技術(shù)，例如針對漢語(yǔ)言的作用腦區作深入研究。

腦科學(xué)領(lǐng)域雖然復雜，但一直都在螺旋上升前行。作為頂尖的腦科學(xué)家，Schalk教授認為腦科學(xué)的探索需要務(wù)實(shí)，而不是僅僅停留在漂亮的概念與設計上?？茖W(xué)界必須做出持續的、系統性的努力，向著(zhù)解決實(shí)際問(wèn)題的方向出發(fā)。腦科學(xué)領(lǐng)域的深入探索能讓我們以全新的維度認識大腦。

元腦：

用數字技術(shù)模擬人類(lèi)大腦

如果往大腦深處行進(jìn)，應用數字技術(shù)來(lái)還原大腦的動(dòng)態(tài)狀況，構建一個(gè)數字大腦，可以形象地認識與探索大腦。例如在疾病狀態(tài)下，大腦會(huì )產(chǎn)生一系列變化，如果能建立一個(gè)與之相對應的數字大腦，還原疾病的動(dòng)態(tài)發(fā)展演變過(guò)程，或許就能幫助我們更好地明白其機制，準確預判并開(kāi)發(fā)出更精準的治療方案。

（洪波教授介紹元腦的概念和元腦動(dòng)態(tài)系統的構成）

論壇中，清華大學(xué)生物醫學(xué)工程系洪波教授分享了“元腦（Meta Brain）”的新興概念和他的團隊在這個(gè)領(lǐng)域上所做的相關(guān)工作?！澳阋苍S很難想象無(wú)數美麗的數學(xué)公式能夠解釋人類(lèi)大腦的運作機理?！痹跁?huì )中，據洪波教授介紹，元腦的構想是利用腦機接口技術(shù)建立大腦的動(dòng)態(tài)數字模型，來(lái)幫助提升理解大腦的功能運作，重現生理、病理過(guò)程，最終達到應用目的。

而元腦得以快速發(fā)展的機遇則是乘上了前沿技術(shù)發(fā)展的快車(chē)，包括神經(jīng)影像學(xué)、腦電生理和計算機技術(shù)等，無(wú)一不在助陣元腦研究的深入。洪波教授介紹了許多科學(xué)家在腦數字重建上做過(guò)的工作，如靜態(tài)元腦、動(dòng)態(tài)激發(fā)元腦，乃至于動(dòng)態(tài)的癲癇大腦。這些腦數字重建的點(diǎn)滴工作都在為構建未來(lái)的疾病數字大腦、數字孿生大腦夯實(shí)基礎。 

在腦機接口技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，其中最大的爭議是來(lái)自倫理的風(fēng)險。腦科學(xué)領(lǐng)域的倫理討論聲音有很多，支持者和反對者各自都有站得住腳的立場(chǎng)。作為腦科學(xué)領(lǐng)域的資深科學(xué)家，洪波教授提出了一種解決思路。洪波教授認為在目前，腦機接口還處于研究階段，所有的研究實(shí)驗都必須通過(guò)受試者的知情同意，所以暫時(shí)倫理學(xué)風(fēng)險較小。在未來(lái)，如果腦機接口技術(shù)得到了大規模應用，人的大腦或意識能被潛伏、探測甚至遠程侵入的風(fēng)險增高，可能會(huì )造成嚴重的社會(huì )問(wèn)題?；蛟S在將來(lái)，我們可以從基因編輯的倫理學(xué)風(fēng)險中借鑒一些針對腦機接口技術(shù)應用的倫理處理方法。

腦機接口+心理：

重建心靈溝通橋梁

目前全世界有20%的人經(jīng)受著(zhù)神經(jīng)系統紊亂的影響，其中一半和心理健康相關(guān)，影響近10億人。對此目前主要的治療方式是****物治療和心理治療，但患者往往需要長(cháng)時(shí)間的治療才能產(chǎn)生效果。而腦機接口在心理健康的治療中具備巨大的潛力。

例如腦機接口技術(shù)在臨床閉鎖綜合征的應用。據荷蘭烏得勒支大學(xué)醫學(xué)中心Nick Ramsey教授介紹，閉鎖綜合征可以發(fā)生在運動(dòng)神經(jīng)元病、卒中、肌萎縮側索硬化癥等疾病晚期，患者意識清醒，但全身只有眼皮可以活動(dòng)，難以和外界交流，十分痛苦。為了提升這類(lèi)患者的生命質(zhì)量，Ramsey教授的團隊開(kāi)展了多年研究。

（Nick Ramsey教授介紹從腦機接口技術(shù)中獲益的閉鎖綜合征患者案例）

Ramsey教授的團隊為閉鎖綜合征患者創(chuàng )建了能幫助他們獨立自主與外界交流的家用腦機接口設備。此前，他們已經(jīng)為一位58歲的晚期閉鎖綜合征患者應用了這一系統，通過(guò)解碼軟件算法，患者反復練習后能夠實(shí)現每分鐘輸入約兩個(gè)字母，準確率接近90%。相關(guān)病例于2016年發(fā)表在《新英格蘭醫學(xué)雜志》上。如今6年多過(guò)去了，這位患者依舊在使用該設備，每日使用時(shí)間可達20小時(shí)，該設備已經(jīng)成為患者與外界溝通的唯一渠道。

除此之外，Ramsey教授也介紹了其他幾種能幫助患者與外界直接交流的技術(shù)研究進(jìn)展，比如，通過(guò)檢測人類(lèi)發(fā)聲器官（如咽喉、下頜、舌等的運動(dòng)）來(lái)解碼語(yǔ)言；通過(guò)腦機接口直接解碼患者想要表達的語(yǔ)句，并呈現在屏幕上。這些腦機接口的新進(jìn)展為許多腦科學(xué)領(lǐng)域的研究者和患者打上了強心劑，為大家帶來(lái)希望。在心理疾病的治療外，腦機接口在臨床中的康復治療一直備受矚目。

腦機接口+康復：

幫助患者重拾生活信心

將腦機接口和神經(jīng)調節技術(shù)相融合，不僅能幫助我們發(fā)現腦震蕩、腦功能和行為之間的重要聯(lián)系，也能極大改善患者的運動(dòng)功能。腦機接口技術(shù)是一種非常有效的臨床康復工具。

（Soekadar教授展示運動(dòng)障礙者在接受腦機接口技術(shù)應用后恢復活動(dòng)的案例）

柏林大學(xué)醫學(xué)中心的Soekadar教授團隊研制的非侵入性腦機接口+外骨骼的搭配應用，可以通過(guò)解碼大腦的運動(dòng)指令并定向施加刺激，使嚴重脊髓損傷導致運動(dòng)障礙的病人重拾一些自理技能，如抓取、吃飯、喝水等一系列日?；顒?dòng)。在實(shí)際的應用中，一些運動(dòng)障礙病人通過(guò)這項技術(shù)能夠完成部分的生活自理活動(dòng)，大幅改善了患者的生活質(zhì)量。雖然目前侵入式腦機接口技術(shù)仍存在感染出血、未經(jīng)永久使用許可、需要手術(shù)及價(jià)格昂貴等諸多挑戰，但腦機接口+外骨骼在臨床上的應用價(jià)值巨大。越來(lái)越多的臨床試驗正在驗證腦機接口在康復訓練方面的前景。

（Soekadar教授談下一代腦機接口技術(shù)突破的展望）

談到下一代的腦機接口技術(shù)，Soekadar教授認為可以做到把工作記憶、情感調節和運動(dòng)-感覺(jué)互動(dòng)整合到系統中去，達到適應性的腦功能刺激，實(shí)現腦功能的穩定與提升。在康復訓練研究之外，團隊腦機接口的研究也在朝重建精神健康的方向進(jìn)發(fā)，實(shí)現未來(lái)情感調節和運動(dòng)康復的整合。

新加坡南洋理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院關(guān)存太教授認為腦機接口可用于功能恢復的理論基礎是神經(jīng)可塑性（Neuroplasticity）。所謂的神經(jīng)可塑性指的是大腦在受到損傷之后，能夠持續不斷地重塑神經(jīng)元之間的連接。而神經(jīng)系統疾病的康復即是通過(guò)有目的地刺激大腦從而達到部分功能的恢復。

（關(guān)存太教授介紹基于深度學(xué)習等算法的新型非侵入腦機接口技術(shù)研究結果）

關(guān)存太教授使用腦機接口技術(shù)對卒中患者進(jìn)行有目的的運動(dòng)康復訓練，并且關(guān)存太教授也提出除了運動(dòng)康復以外，腦機接口可以幫助卒中后病人進(jìn)行精神心理方面的康復。在關(guān)存太教授團隊的研究中，基于深度學(xué)習等算法的新型非侵入腦機接口技術(shù)，可以使得卒中患者的理解準確率，從傳統腦機接口技術(shù)的68.6%上升到近90%。

團隊通過(guò)研究腦機接口康復技術(shù)在兒童多動(dòng)癥、老年人認知功能下降、社交焦慮及廣泛焦慮方面的探索中發(fā)現，受試者能夠在完成指定任務(wù)中得到實(shí)時(shí)反饋，從而通過(guò)多次量化的反饋與訓練，達到改善注意力、強化認知、緩解焦慮等成果。這些實(shí)驗的成果不斷鼓舞著(zhù)腦科學(xué)領(lǐng)域的科研人員，也給患者帶來(lái)了生存質(zhì)量提升的福音。

在這場(chǎng)論壇中，我們看到了腦機接口最前沿的技術(shù)研究，最新的落地情形。腦科學(xué)家們將前沿實(shí)驗室里的腦機接口技術(shù)從理論帶到了臨床，為許多生存質(zhì)量堪憂(yōu)的患者帶來(lái)希望，也為普羅大眾打開(kāi)了眺望未來(lái)大腦的窗口。腦疾病的探索、腦科學(xué)的研究讓我們正在接近腦內深處的“黑洞”世界，雖然過(guò)程艱難、路途遙遠，但腦科學(xué)研究正在積蓄勢能，一步一步走向未來(lái)。

來(lái)源：腦極體