《環球時報》記者走進中國腦機接口實驗室

【環球時報報道 記者 馬俊】編者的話：在科幻電影中，能讀取大腦信息或快速上傳記憶的腦機接口技術極為酷炫。而在現實世界裏，腦機接口技術距離普及似乎也越來越近了。美國億萬富豪馬斯克6月底展示了旗下腦機接口公司Neuralink的最新成果，宣稱“最快在2026年讓盲人復明”，最終目標是實現“人機結合”；中國正在迎頭趕上，北京腦科學與類腦研究所聯合北京芯智達神經技術有限公司研製的“北腦一號”腦機接口已經在臨牀試驗中植入5名患者的大腦中，實現多個“國際首次”，受到美國有線電視新聞網（CNN）等外媒的高度關注。目前腦機接口技術進展如何？是否真的能實現科幻電影裏的場景？這一技術將如何改變人類的未來？帶着這些問題，近日走進北京腦科學與類腦研究所。

解讀言語，促進康復

當《環球時報》記者走進北京腦科學與類腦研究所的大樓時，發現不同實驗室裏的裝備大相徑庭——既有閃爍的機房，也有正在測試的機械臂，還有生化實驗室。這也反映了腦機接口的跨學科特性——它同時涉及醫學、機械、通信和計算等不同領域。北京腦科學與類腦研究所於2018年成立，並根據北京市前瞻佈局的“智能腦機系統增強計劃”，牽頭成立了北京芯智達神經技術有限公司（簡稱芯智達）。

芯智達業務發展總監李園在接受《環球時報》記者採訪時介紹説，大腦活動最根本的工作機制是通過細胞之間電信號的發放和傳導，實現人體從最基礎的吃飯、睡覺等生存動作，到產生複雜的記憶和情緒。基於這個認識，如果通過工程技術手段，把大腦活動產生的電信號精準地採集出來，然後進行非常低延時的傳輸，再通過外部的計算設備實現解碼，就能解讀出大腦電信號的含義。這是腦機接口最根本的原理。

目前外界關注的腦機接口技術主要用於醫學復健領域，例如可利用讀取的大腦信息幫助癱瘓病人控制其他設備（操作機械臂或控制電腦光標）。美國Neuralink公司的演示視頻顯示，手術後的癱瘓病人可以在不移動任何四肢或手指、完全依靠神經信號的情況下移動光標、選擇要輸入的單詞、瀏覽網頁，甚至玩電子遊戲。

李園表示，得益於柔性材料、無線數據傳輸、人工智能幫助下的算法解碼等技術的共同進步，新一代腦機接口設備實現了對大腦皮層表面的大規模電信號採集和即時快速的解碼。此前的研究已證實，大腦不同的腦區負責着各自功能，因此現在腦機接口通過對癱瘓病人大腦特定區域提取腦電波信號和解碼，就可以知道病人是想動手還是想動腿，是想動左手還是想動右手等；而負責語言功能的腦區主要在顳葉，不同部位分別負責言語的理解、產生以及調動哪些肌肉實現表達，因此腦機接口可以對應地解讀出漸凍症等導致的言語障礙患者想要表達的語言。

如果腦機接口將外部信息通過電極反過來刺激大腦，也可以幫助失明患者重建視覺。其原理就是利用電極將攝像頭拍攝的畫面經過數字編碼，向負責視網膜的腦區寫入對應的神經電刺激信號，就可在患者腦海產生相應的影像。

李園稱，更廣泛的腦機接口技術，也包括讓失聰患者恢復聽力的人工耳蝸設備，其原理就是利用傳感器感知聲波，寫入對應的刺激電信號，讓患者產生聽覺。神經調控技術的應用則更為成熟，例如癲癇、帕金森和抑鬱症患者都存在腦部電信號異常的情況，隨着技術的發展，可利用腦機接口技術監測相關區域的腦電波活動情況，如果出現異常就釋放刺激信號進行抑制和糾正，實現更精準的神經調控的效果。

馬斯克在今年6月提出，作為腦機接口技術的未來拓展方向，Neuralink下一步將讓受試者通過腦電波控制“擎天柱”人形機器人。李園表示，現在“北腦一號”已具備類似能力，只要與高自由度的人形機器人進行相應的匹配，就可以遙控機器人完成不同方向的行走和拾取東西等動作。她還介紹説，如果能夠有足夠精細的外部設備支持，該系統還能幫助患者完成更多的康復訓練。例如下肢癱瘓的患者就能夠用腦信號控制高自由度的外骨骼自行行走，或者利用非常精細的電刺激控制不同肌肉羣運動，繞開“失靈”的運動神經，讓大腦直接指揮腿部肌肉完成邁步的動作。

三條路線，各有利弊

目前根據腦電波信號的採集深度不同，腦機接口技術由淺到深可以劃分為非侵入式、半侵入式和侵入式三大類。

李園介紹説，非侵入式腦機接口不用手術，只是將電極貼在頭皮上採集腦電波，因此最為安全。但這種模式收集到的是腦部的全局信號，由於腦細胞釋放的電信號很微弱，隔着顱骨和頭皮收集到的信息精度很低。不過它在臨牀上面也有很多應用，例如用於監測大腦的健康狀況等。

半侵入式腦機接口需要打開顱骨，把電極貼在腦皮層或硬腦膜外，收集的腦電波精度更高，同時又不用將電極插入腦組織里面，手術風險相對更小，是在收集腦電波的質量和植入手術的安全性方面做出的平衡選擇。“北腦一號”就屬於半侵入式腦機接口，它是將128通道的柔性高密度薄膜電極貼敷在硬腦膜外，不觸及腦組織，生物兼容性高、信號質量優異。李園解釋説，電極通道數越多，傳輸的信號精度就越好、數據量越多，腦電波的解碼信息量也更豐富。此前國際上最好的類似設備採用的是64通道，提升通道數的難點是整機的信號處理及傳輸速度和功耗。

而侵入式腦機接口則是直接將電極插入腦組織中，它能夠非常精準地在目標神經元旁邊收集信號，但手術難度和風險高。Neuralink主推的腦機接口就採用這條技術路線，目前已經有至少9名患者完成手術。北京腦科學與類腦研究所的“北腦二號”侵入式腦機接口有線版本也在國際上首次實現了猴子用意念攔截運動目標。據《環球時報》記者瞭解，“北腦二號”今年將完成微型無線全植入工程機的開發，有望在2026年進入臨牀驗證。李園表示，“從臨牀的接受度和實用性上來講，半侵入式腦機接口會推進得更快，因為它的手術風險相當低，同時已經能夠幫助很多癱瘓患者改善部分生活質量。目前侵入式腦機接口暫時還沒有在改善患者方面表現出更多優勢，但從長遠來看，侵入式腦機接口能夠提供更高的信號精度，未來的可拓展性更強。”

此外，另一家知名腦機接口企業美國Synchron公司採用介入式技術，它非常巧妙地從頸部順着血管將電極送入顱內的指定位置收集腦電波信號，相對於侵入式和半侵入式腦機接口的開顱手術，它的風險要小得多。但由於血管中的血液流動會對腦電波收集產生干擾，同時能安置電極的腦部血管位置有限，因此這種技術存在明顯的侷限性。

首次實現中文解碼

CNN引用美國喬治城大學神經科學教授馬克西米利安·裏森胡貝爾的評論稱，相比大多數美國公司採用的侵入性技術，目前已經有5名中國患者植入了“北腦一號”半侵入式腦機接口。李園介紹説，植入該裝置後並不代表患者能夠立即獲得相應能力，而是需要經過一段時間的術後訓練，“這是一個患者適應腦機接口，腦機接口適應患者的雙向過程”。她描述説，每個人的腦電波特性都不一樣，因此完成植入手術的患者，會在術後訓練反覆練習集中注意力設想某個動作。“例如患者想抬右手，但可能設想這個動作時大腦還會有其他念頭，系統需要從收集到的繁雜腦電波中識別出抬右手對應的信號。經過反覆強化後，系統才能更快和更精準地識別出相關信號，同時患者也需要練習儘量集中精力減少雜念的產生。”

據介紹，首例植入“北腦一號”的患者遭遇脊髓損傷高位截癱，術後訓練兩週即可完成初步的腦控，驅動肌肉刺激裝置促進自身肢體運動功能逐漸康復。李園表示，這種康復訓練是在手臂肌肉位置貼上刺激片，然後在大腦中想象“握手”，然後腦機接口裝置接收和識別這個信號，把指令發放給刺激片，驅動肌肉完成“握手”的動作。該患者手術至今已經過去了5個月，如今他的上肢肌力明顯提升，手部能夠完成術前完全無法做到的動作。同時患者還能夠用腦電波直接控制電腦光標和機械臂，“現在這名患者基本上實現了對電腦光標的自由控制，相當於手不能動，但他通過直接腦控光標，打開對電子世界的控制。”

接受“北腦一號”植入手術的另一名患者患有肌萎縮側索硬化症（漸凍症），基本失去語言能力。通過一個月左右的術後訓練，該患者已經可以通過腦機接口非常準確地輸出近百個詞語，並拼出“我想吃飯”“我想喝水”“幫我找醫生”等短句，這也是無線全植入腦機系統在國際上首次實現言語障礙患者的中文解碼。李園介紹説，此前還沒有人嘗試過用這種全植入式的腦機接口完成中文的輸出，因為中文屬於表意的語言，如何為腦機接口找到配套的高效解碼策略還有很多探索性的工作要做。

不能過於誇大技術現狀

最近幾年腦機接口技術突飛猛進，在獲得外界高度關注的同時，也引發不少擔憂。不少民眾擔心未來腦機接口技術成熟後，會不會用於直接複製或上傳記憶，進而侵犯個人隱私，或者像好萊塢電影《黑客帝國》描述的那樣幫助人類實現羣體意識相連。李園表示，就當前腦機接口的技術能力而言，這樣的設想暫時還只能停留在科幻電影裏，因為我們對大腦的工作機制瞭解得非常粗淺。她解釋説：“腦科學的研究還處於早期階段，當前科學家只初步瞭解了運動指令等最簡單的腦部活動，對於記憶、情感等複雜腦活動的機制以及它們對應的腦區分佈還有很多未知，因此也根本談不上收集信號和解碼。”其實別説情感等複雜腦活動，就連味覺和嗅覺，目前腦機接口技術都“無從下手”，因為不太清楚產生這些感覺的腦部區域具體分佈。

此外，儘管腦機接口技術理論上可以實現讓盲人復明，馬斯克樂觀預測“最快明年就能實現”，但李園認為，想用這種方法恢復正常視覺“還有非常遙遠的距離”。因為視覺信號非常複雜，就如同圖片信息遠大於文字信息，即便是簡化的黑白畫面，需要傳輸的數據量也非常大，不是現在幾千通道的電極陣列就能夠解決的問題。因此所謂的讓“盲人復明”，目前第一步能做到的只是讓盲人“看到”像素非常低的黑白輪廓或者字母。李園認為，不能過於誇大腦機接口技術的應用前景，它不是“無所不能”，也並非所有類似病症的最好解決方案。 

作為對比，北京腦科學與類腦研究所的另一個研究項目是利用基因藥物治療失明，即通過腺相關病毒載體將新型光敏蛋白基因特異性地表達在視網膜神經節細胞，將其轉化為替代的光感受器，從而恢復盲人的感光能力和部分視覺功能。據介紹，一名全盲10多年的患者接受治療後已出現明顯的感光性改善，甚至能識別面前的多行視力表，具備自行在道路上行走和避障的能力。