当地时间1月29日，美国知名企业家马斯克在社交平台表示，其与多名科学家创办的脑机接口公司（Neuralink）完成芯片设备植入人类大脑，“目前（志愿者）恢复良好”。
脑机接口如何实现人脑与机器交互？应用到健康人身上还有多远？我国的脑机接口技术处于什么“方位”？解放日报·上观新闻记者专访了上海科技大学计算认知与转化神经科学实验室主任李远宁、上海交通大学医学院附属瑞金医院神经内科主任刘军。
如何实现人脑与机器交互
“初步结果显示，神经元尖峰检测很有前景。”马斯克介绍首例人类大脑设备植入手术的情况时说。
目前“Neuralink”招募的志愿者主要是高位截瘫者和渐冻症患者。“神经元尖峰”指的是神经元活动放电时产生的尖峰脉冲电信号，能检测到尖峰信号说明脑机接口设备记录到了单神经元级别的神经活动。
脑机接口如何实现人脑与机器交互？李远宁介绍，脑机接口是通过侵入或非侵入的传感与刺激设备记录或者调节中枢神经系统中神经元电生理活动，并通过计算机与外部的运动、言语等控制信号相互转化，用来修复、替代或者增强脑与外界环境之间交互的系统。
从广义而言，人工耳蜗就是一款成功的脑机接口应用，它接受外界刺激，直接与中枢神经系统相连，可以向大脑传递信号。
“Neuralink”这款被命名为“心灵感应”的产品，有何创新之处？李远宁说，这并不是人类的第一次侵入式脑机接口的临床试验，早在2002年美国的Blackrock公司基于Utah（犹他）电极开发的侵入式脑机接口产品就在布朗大学和哈佛麻省总医院开展了人体植入的临床试验，研究结果于2006年发表在了《自然》上。
与此前的设备不同，Neuralink设计了一套高通量、柔性、无线、微创的脑机接口设备，主要创新之处集中在信号的记录和处理系统上。科研人员基于柔性聚酰亚胺材料设计了高通量的柔性电极，单个设备能够实现数千通道量级的单神经元级别的神经活动记录；开发了一套植入机器人系统，能够以微创的形式较为快速地将柔性电极植入大脑；使用半导体集成工艺，将信号处理系统集成到了植入设备中，实现了无线数据传输以及无线充电。
部分功能的恢复将极大改善生活质量
当前，脑机接口技术主要应用于医疗领域，如神经类疾病（渐冻症等）、脑外伤等导致的运动和语言等功能障碍的替代和恢复。
刘军介绍，脑机接口技术在我国最早的应用是在帕金森病的相关治疗中，随着芯片技术的发展，也对脊髓等进行了电刺激等。“简单来说，脑机接口是建立一种连接，通过大脑皮层的意念来控制身体的其他组织。比如患者的左手瘫痪了，就是大脑皮层与手部神经的连接‘断’了，需要靠芯片重新搭起‘桥梁’。”
在刘军看来，这一技术的应用对患者可谓是福音，“尤其是在老年退行性疾病、瘫痪等较为庞大的患者群体中，部分功能的恢复将极大改善其生活质量。”不过他也提到，这绝非单纯的医学问题，涉及诸如工科、计算机等交叉领域，也还有很长的路要走。“人的脑区很大，且各分区的功能不同，不同瘫痪患者的病因也不同，在临床推广中，未来仍有许多值得研究的新分支。”
2020年12月，瑞金医院脑机接口及神经调控中心成立，同时启动了难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究，这是目前全球关注的临床科研热点之一。第一代脑机接口治疗脑部疾病通过单向的电刺激来治疗，而新一代则采用脑机接口神经调控的新版芯片，能实时感知脑神经活动信号，并无线传输到外部设备，经人工智能软件分析处理随后反馈给芯片，再进行精准的刺激调节。据悉，未来脑机接口技术在治疗难治性抑郁症上，有望达到闭环自动控制，设备自动调节脑电刺激。
脑机接口应用到健康人身上还有多远？李远宁说，因为涉及开颅等植入操作，脑机接口尤其是侵入式脑机接口技术，目前尚无法应用于健康人群。但基于非侵入技术（如头皮脑电）实现大脑信息的读取和解码，已在健康人身上有一些简单的应用，比如对注意力、疲劳、睡眠等进行监测，作为简单的娱乐交互设备实现游戏控制，以及用于运动功能的辅助康复等。
《黑客帝国》描绘完全双向交互场景
马斯克说：“想象一下，如果霍金能比一位快速打字员或拍卖员更快地交流。这就是（脑机接口的）目标。”
我们离这一目标还有多远？“去年，斯坦福大学和加州大学旧金山分校，基于侵入式脑机接口实现了每分钟60-90个单词的语言输出。可以说学术界在实验室条件下已经部分实现了这个目标。”李远宁说。
目前的脑机接口设备按照交互方向大致可分为两大类，一种是单向的读取信号并解码输出；另一种是以DBS深部脑刺激（脑起搏器）为代表的脑功能调制设备，通过向大脑特定位置输入电刺激信号来调节脑功能，缓解改善帕金森病、重症抑郁等。
“电影《黑客帝国》描绘的完全双向的交互场景，可以说是脑机接口的终极目标之一。”李远宁介绍，所谓“完全双向的交互”，即通过脑机接口向大脑完整传递外部感知等信号，同时从大脑中解码并输出运动、语言、情感等信息，目前还处在非常初步的探索阶段。“人类已实现了人工耳蜗、人工视网膜等初级感官的脑机设备代替，但如何通过脑机接口直接与大脑皮层实现双向信息交互目前还是未知。”
我国的脑机接口处于什么“方位”
当下，脑机接口技术的应用存在哪些难点？在李远宁看来，首先是器件的安全性，很多器件涉及新材料在人体内的长期植入，这需要按照医疗器械标准进行严格的安全性审查。
其次是器件和设备功能的稳定性，要看其能否长期稳定地获取神经信号，且不受大脑排异、运动等影响和干扰。
再次，脑机接口的信号采集以及解码技术很大程度上受制于神经科学理论的发展。
“对于更高级别的认知过程，比如意念、记忆等信息，它们在大脑中的存储、加工、计算方式仍有很多未知有待破解。如何通过脑机接口技术精确地读取并解码这些信息也有待进一步探索。”
“目前脑机接口技术尚无规模化的产品，还处在非常初步的研发阶段，设备成本也很高，仍有很大的发展空间。”李远宁说。
我国的脑机接口技术处于什么“方位”？“总的来说，我国的脑机接口技术和产品处于发展和追赶阶段。”李远宁说，我们与国际前沿特别是美国的相关实验室与企业存在一定差距，不过也在发挥自身优势和特点迎头赶上。
清华大学、浙江大学、天津大学等科研团队已在脑机接口的技术和算法领域深耕多年，在国际上有一定的影响力。浙江大学完成了国内首个基于Utah（犹他）电极技术的侵入式在体临床试验。清华大学的团队近期也完成了基于自主研发的半侵入电极的脑机接口设备临床试验，而在语言脑机接口方面，李远宁所在的科研团队与复旦大学附属华山医院合作初步实现了侵入式脑电到汉字语音的解码合成研究。
目前国内已有多家企业在研发相似的高通量柔性脑机接口设备，很多已完成了动物实验，正在积极推进临床验证。
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作者：黄海华、黄杨子
微信编辑：纳米
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