腦機接口，風口還是入口？

  冬去春來，腦機接口（BMI）領域似乎要迎來一個“小陽春”。

資本對腦機接口應用前景的信心，在融資數量和金額上清晰地表現出來，這讓不少人斷言：腦機接口的風口來了。近日，一項發表于《神經元》雜志的超聲波“讀腦”技術，讓人們對腦機接口的期待進一步“走高”。

超聲波“讀腦”

近日，美國加州理工學院和陳天橋雒芊芊腦機接口中心（2016年，陳天橋在加州理工學院捐款創立陳天橋雒芊芊研究院，后共建陳天橋雒芊芊腦機接口中心）開發出一種新型微創腦機接口，它能利用功能性超聲波技術，讀出與運動計劃相對應的大腦活動。換言之，利用超聲波成像技術，研究人員能預測猴子眼/手的運動信息，并根據這些信息生成機器人臂或電腦光標指令。

功能性超聲波可以通過測量血流的變化，指示神經元活躍及耗能時間。在該項研究中，功能性超聲波在幾秒鐘內，預測出猴子將要進行的行為，運動方向（向左或向右），以及它計劃何時運動。論文顯示，這一新方法預測猴子眼球運動的準確率約為78%，預測伸展運動的準確率為89%。對這一方法加以改進，有望為癱瘓病人提供一種無需穿透大腦便可控制假肢的新方法。

“侵入式腦機接口已經可以讓那些由于神經損傷或疾病，而失去運動能力的人重獲運動能力。”該研究共同第一作者Sumner Norman說，“不幸的是，只有少數嚴重癱瘓的人才有資格，并愿意將電極植入大腦。功能性超聲可以在不損害腦組織的情況下，記錄大腦的活動。最令人興奮的是，功能性超聲波技術具有著巨大的潛力，這只是我們為更多人帶來高性能、低侵入性BMI的第一步。”

“這是一項令人興奮的技術。”中科院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所研究員隆曉菁告訴《中國科學報》，“它利用超聲對腦血容量的變化進行成像，從而解析大腦特定區域的功能活動和神經信號。”

隆曉菁介紹說，超聲作為這項技術的物理基礎，充分體現了它的優勢：超聲有很好的穿透能力，可以實現微創甚至無創的檢測。此外，與腦電、功能磁共振成像、光學成像相比，超聲在空間分辨率、時間分辨率、成像視野的綜合性能上也有其獨特優勢。

“快速、高分辨、高靈敏的功能成像技術對神經科學、腦機接口、腦疾病治療等領域都有深遠的意義。當前我們也急需這樣的工具，功能性超聲成像無疑是具有巨大潛力的。”隆曉菁說。

尋找“平衡點”

“在腦機接口研究中，我們會關注兩個方面。”中科院上海微系統與信息技術研究所研究員陶虎對《中國科學報》說，“一是讀取大腦神經信號的質量（包括同時能采集信號的通道數和信噪比）。二是它的侵入性，或者說對使用者的創傷程度。”

腦機接口技術可粗略分為侵入式和非侵入式兩類。前者指測量電極接觸大腦，甚至插入大腦內部。后者不接觸大腦，包括頭皮電極帽、超聲、核磁共振成像等技術。

“從原理上來說，越是貼近大腦，或進入大腦，它的信號質量越好。但損傷大腦的風險也越高。所以，不同的技術路線，就是在這兩個方面尋求一個平衡點。”陶虎說。

一般來說，侵入式可以精確地測量單個神經元層面的活動。功能性磁共振成像等非侵入性技術可以對整個大腦進行成像，但需要笨重而昂貴的機器。腦電圖不需要手術，但只能測量低空間分辨率的活動。

陶虎團隊和華山醫院神經外科團隊曾研發出柔性腦機接口技術，可以達到單神經元精度（幾微米至幾十微米），在時間尺度上，也可以做到毫秒級甚至幾十微秒級。

“這種精度是超聲技術達不到的。”陶虎說，“但另一方面，獲取什么精度和速度的信噪比，要根據其應用場景進行選擇。某些場景可能需要較高的精度、強度或速度，但另一些場景也許并不需要。”

實際上，現有的腦機接口技術已經帶給人類一些驚喜。例如，用機械手臂連接癱瘓的人，可以通過腦機接口技術解釋人的神經活動和意圖，并相應地移動機械臂。

還有一些患者在應用中，只需要簡單地控制機器即可。比如，華南理工大學的研究人員用電極帽就實現了對輪椅的控制，可以驅動其前后左右行走。

“用大腦去控制機器并不難，目前很多無創的方式就能做到。關鍵要看機器完成動作的復雜程度，看人們希望達到怎樣的控制精度和速度。”陶虎說。

科學家一直希望在不損傷大腦的情況下，通過技術革新，把讀取大腦信號的質量提高一點。

“這項研究非常有價值。但從理論上講，不管它怎么提升精度，都達不到侵入式電極的空間和時間分辨率。”陶虎說，“為了提高信號質量，研究者還是把顱骨切除了一部分，讓超聲信號能夠更好地進去，因此也不能完全說是非侵入式的。”

“由于血流信號比電信號遲鈍，所以速度是功能超聲‘天生缺陷’。”馬克斯·普朗克神經生物學研究所的神經科學家Emilie Macé說，“該研究中，解碼猴子的運動意圖大約需要2秒鐘。”

從“讀腦”到“控腦”

腦機接口是人腦與計算機或其它電子設備之間直接交流和控制的通道，它可以讀取和解釋大腦活動并將指令傳輸到計算機或機器。這包括三個步驟：一是大腦里讀取信號。二是通過編解碼算法，把信號破譯出來。三是用它合成文字、語音或指令來控制機器。

“這是科學家目前正做的事情。實際上，再往前走一步，還應該有個反饋的過程，也就是‘大腦神經雙向閉環精準調控’”陶虎說，“這才是真正意義上我們要做的腦機接口。”

陶虎解釋說，現在只是讀出大腦信號，解析并傳輸給機器這一單向的過程。實際上腦機接口需要的是：碰到一個東西反饋給大腦，大腦知道碰到了東西，并進一步作出反應（抓取或推開等），這才完成一個閉環的雙向調控。

“腦機接口除了‘讀腦’，在解析了人的神經活動和意圖以后還有‘腦控’這一步，比如提取大腦皮層的神經信息來控制或移動機械臂、假肢等等。再進一步，腦機接口還包含‘控腦’這個概念。這不是要去控制人的行為，而是通過引入有序的物理刺激，比如聲、光、電、磁等，來增強或替代原本大腦中受損的功能，比如外傷、中風、腫瘤等疾病引起的腦功能衰退。”隆曉菁說，“所以，未來腦機接口技術將不僅能夠讀取大腦的信息和意圖，還能夠刺激和輸入有用的神經信號，這對有需要的患者和傷者來說都將是福音。”

“腦機接口是個復雜的系統，它包括電極、芯片、算法、植入機器人，也包括臨床、動物實驗等。在這個系統中，我國在某些方面，如編解碼、動物實驗上有一定基礎，或者說處于第一梯隊，但電極、芯片、植入機器人、臨床驗證等方面差距較大，還缺乏原創性技術。”陶虎說，“雖然腦機接口的基礎研究和應用方面進展迅猛，但總體上還處于這項研究的‘入口’處，腦機接口研究還任重道遠。”