腦機(jī)接口照進(jìn)現(xiàn)實(shí)：5位腦科學(xué)家?guī)?lái)的最新啟示

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

腦機(jī)接口技術(shù)會(huì)使人類(lèi)退化嗎？一旦腦機(jī)接口技術(shù)得到應(yīng)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性？腦機(jī)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(xiàn)實(shí)。比如，我們已證實(shí)腦機(jī)接口技術(shù)可以重建人們的運(yùn)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(jī)接口技術(shù)頻頻有新的進(jìn)展出現(xiàn)，但大眾對(duì)于腦機(jī)接口的感知仍然存在距離。這個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域目前有哪些瓶頸？腦機(jī)接口技術(shù)研究探索到了哪一步？有哪些新的技術(shù)出現(xiàn)？

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(guó)際論壇，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、荷蘭和新加坡的5位國(guó)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(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)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(qiáng)大腦”們帶來(lái)哪些腦機(jī)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(xiàn)實(shí)

早在20世紀(jì)30年代，自德國(guó)精神病學(xué)家Hans Berger發(fā)現(xiàn)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(jiān)測(cè)下，讓受試者想象字母，拼寫(xiě)成句，甚至直接想象句子，讓計(jì)算機(jī)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(xiàn)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(yīng)用于帕金森病和癲癇的治療，雖然它們精確、有效，卻也面臨著政策監(jiān)管、價(jià)格昂貴、原理模糊等挑戰(zhàn)。相比之下，非侵入性的技術(shù)（如多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等）更易獲得批準(zhǔn)，但精確性卻欠佳。

（Gerwin Schalk教授介紹通過(guò)應(yīng)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(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)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)話筒，你很難聽(tīng)到場(chǎng)館內(nèi)的聲音。但如果我們?cè)谶@個(gè)體育場(chǎng)外面放滿了話筒，就可以收集到更多的信息，這就是我們現(xiàn)在在做的事情?！?/p>

雖然百年來(lái)神經(jīng)技術(shù)應(yīng)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(yàn)室研究到最終應(yīng)用之間還有很長(zhǎng)的路，需要多學(xué)科的融合和共建。Schalk教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的腦機(jī)接口研究系統(tǒng)成績(jī)斐然。傳統(tǒng)的電刺激檢測(cè)腦功能區(qū)域可能需要好幾個(gè)小時(shí)，Schalk教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)只需要數(shù)分鐘。如今，這套系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)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(xù)研究適合中國(guó)大規(guī)模人群腦機(jī)接口技術(shù)，例如針對(duì)漢語(yǔ)言的作用腦區(qū)作深入研究。

腦科學(xué)領(lǐng)域雖然復(fù)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(rèn)為腦科學(xué)的探索需要?jiǎng)?wù)實(shí)，而不是僅僅停留在漂亮的概念與設(shè)計(jì)上?？茖W(xué)界必須做出持續(xù)的、系統(tǒng)性的努力，向著解決實(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(rèn)識(shí)大腦。

元腦：用數(shù)字技術(shù)模擬人類(lèi)大腦

如果往大腦深處行進(jìn)，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)來(lái)還原大腦的動(dòng)態(tài)狀況，構(gòu)建一個(gè)數(shù)字大腦，可以形象地認(rèn)識(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)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(jī)制，準(zhǔn)確預(yù)判并開(kāi)發(fā)出更精準(zhǔn)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(tǒng)的構(gòu)成）

論壇中，清華大學(xué)生物醫(yī)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(tuán)隊(duì)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(shù)美麗的數(shù)學(xué)公式能夠解釋人類(lèi)大腦的運(yùn)作機(jī)理?！痹跁?huì)中，據(jù)洪波教授介紹，元腦的構(gòu)想是利用腦機(jī)接口技術(shù)建立大腦的動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，來(lái)幫助提升理解大腦的功能運(yùn)作，重現(xiàn)生理、病理過(guò)程，最終達(dá)到應(yīng)用目的。

而元腦得以快速發(fā)展的機(jī)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(jì)算機(jī)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(shù)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(shù)字重建的點(diǎn)滴工作都在為構(gòu)建未來(lái)的疾病數(shù)字大腦、數(shù)字孿生大腦夯實(shí)基礎(chǔ)。

在腦機(jī)接口技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，其中最大的爭(zhēng)議是來(lái)自倫理的風(fēng)險(xiǎn)。腦科學(xué)領(lǐng)域的倫理討論聲音有很多，支持者和反對(duì)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(rèn)為在目前，腦機(jī)接口還處于研究階段，所有的研究實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)較小。在未來(lái)，如果腦機(jī)接口技術(shù)得到了大規(guī)模應(yīng)用，人的大腦或意識(shí)能被潛伏、探測(cè)甚至遠(yuǎn)程侵入的風(fēng)險(xiǎn)增高，可能會(huì)造成嚴(yán)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(xiǎn)中借鑒一些針對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用的倫理處理方法。

腦機(jī)接口+心理：重建心靈溝通橋梁

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

例如腦機(jī)接口技術(shù)在臨床閉鎖綜合征的應(yīng)用。據(jù)荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Nick Ramsey教授介紹，閉鎖綜合征可以發(fā)生在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病、卒中、肌萎縮側(cè)索硬化癥等疾病晚期，患者意識(shí)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(tuán)隊(duì)開(kāi)展了多年研究。

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

Ramsey教授的團(tuán)隊(duì)為閉鎖綜合征患者創(chuàng)建了能幫助他們獨(dú)立自主與外界交流的家用腦機(jī)接口設(shè)備。此前，他們已經(jīng)為一位58歲的晚期閉鎖綜合征患者應(yīng)用了這一系統(tǒng)，通過(guò)解碼軟件算法，患者反復(fù)練習(xí)后能夠?qū)崿F(xiàn)每分鐘輸入約兩個(gè)字母，準(zhǔn)確率接近90%。相關(guān)病例于2016年發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)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(shè)備，每日使用時(shí)間可達(dá)20小時(shí)，該設(shè)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(cè)人類(lèi)發(fā)聲器官（如咽喉、下頜、舌等的運(yùn)動(dòng)）來(lái)解碼語(yǔ)言；通過(guò)腦機(jī)接口直接解碼患者想要表達(dá)的語(yǔ)句，并呈現(xiàn)在屏幕上。這些腦機(jī)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(qiáng)心劑，為大家?guī)?lái)希望。在心理疾病的治療外，腦機(jī)接口在臨床中的康復(fù)治療一直備受矚目。

腦機(jī)接口+康復(fù)：幫助患者重拾生活信心

將腦機(jī)接口和神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)相融合，不僅能幫助我們發(fā)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)功能。腦機(jī)接口技術(shù)是一種非常有效的臨床康復(fù)工具。

（Soekadar教授展示運(yùn)動(dòng)障礙者在接受腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用后恢復(fù)活動(dòng)的案例）

柏林大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Soekadar教授團(tuán)隊(duì)研制的非侵入性腦機(jī)接口+外骨骼的搭配應(yīng)用，可以通過(guò)解碼大腦的運(yùn)動(dòng)指令并定向施加刺激，使嚴(yán)重脊髓損傷導(dǎo)致運(yùn)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(yīng)用中，一些運(yùn)動(dòng)障礙病人通過(guò)這項(xiàng)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(jī)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(zhàn)，但腦機(jī)接口+外骨骼在臨床上的應(yīng)用價(jià)值巨大。越來(lái)越多的臨床試驗(yàn)正在驗(yàn)證腦機(jī)接口在康復(fù)訓(xùn)練方面的前景。

（Soekadar教授談下一代腦機(jī)接口技術(shù)突破的展望）

未來(lái)第二代的腦機(jī)接口技術(shù)模樣，Soekadar教授認(rèn)為可以做到把工作記憶、情感調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)-感覺(jué)互動(dòng)整合到系統(tǒng)中去，達(dá)到適應(yīng)性的腦功能刺激，實(shí)現(xiàn)腦功能的穩(wěn)定與提升。在康復(fù)訓(xùn)練研究之外，團(tuán)隊(duì)腦機(jī)接口的研究也在朝重建精神健康的方向進(jìn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)情感調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)康復(fù)的整合。

新加坡南洋理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院關(guān)存太教授認(rèn)為腦機(jī)接口可用于功能恢復(fù)的理論基礎(chǔ)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(xù)不斷地重塑神經(jīng)元之間的連接。而神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復(fù)即是通過(guò)有目的地刺激大腦從而達(dá)到部分功能的恢復(fù)。

（關(guān)存太教授介紹基于深度學(xué)習(xí)等算法的新型非侵入腦機(jī)接口技術(shù)研究結(jié)果）

關(guān)存太教授使用腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)卒中患者進(jìn)行有目的的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。并且關(guān)存太教授也提出除了運(yùn)動(dòng)康復(fù)以外，腦機(jī)接口可以幫助卒中后病人進(jìn)行精神心理方面的康復(fù)。在關(guān)存太教授團(tuán)隊(duì)的研究中，基于深度學(xué)習(xí)等算法的新型非侵入腦機(jī)接口技術(shù)，可以使得卒中患者的理解準(zhǔn)確率，從傳統(tǒng)腦機(jī)接口技術(shù)的68.6%上升到近90%。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究腦機(jī)接口康復(fù)技術(shù)在兒童多動(dòng)癥、老年人認(rèn)知功能下降、社交焦慮及廣泛焦慮方面的探索中發(fā)現(xiàn)，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(xùn)練，達(dá)到改善注意力、強(qiáng)化認(rèn)知、緩解焦慮等成果。這些實(shí)驗(yàn)的成果不斷鼓舞著腦科學(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(jī)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(yàn)室里的腦機(jī)接口技術(shù)從理論帶到了臨床，帶給了許多生存質(zhì)量堪憂的患者希望，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(nèi)深處的“黑洞”世界，雖然過(guò)程艱難、路途遙遠(yuǎn)，但腦科學(xué)研究正在積蓄勢(shì)能，一步一步走向未來(lái)。