清華大學(xué)腦機接口科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人：中美“腦機接口”下一突破是什么？

激石Pepperstone(http://wargoo.com/)報道：

清華大學(xué)近日發(fā)布消息，該校醫(yī)學(xué)院科研團(tuán)隊于1月底召開無線微創(chuàng)植入腦機接口（以下簡稱NEO）臨床試驗階段總結(jié)會，宣布該團(tuán)隊與北京宣武醫(yī)院科研團(tuán)隊于2023年10月開展的全球首次NEO試驗取得成功。此次官宣正值馬斯克宣布旗下公司完成全球首例腦機接口設(shè)備人體移植之際，中美科研團(tuán)隊接連取得重大突破引發(fā)外界強烈關(guān)注。中方團(tuán)隊腦機接口技術(shù)路徑與美方有何不同？相關(guān)技術(shù)何時能得到成熟應(yīng)用？清華團(tuán)隊相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人近日在接受《環(huán)球時報》記者采訪時描繪了現(xiàn)實，也展望了遠(yuǎn)景。

“在安全性和性能間尋求平衡”

“我們的NEO技術(shù)突破并不是短時間內(nèi)突然實現(xiàn)的，我們?yōu)榇艘呀?jīng)奮斗了十余年，走了很長的路才完成從科學(xué)想法到工程實現(xiàn)，最終步入臨床試驗的過程。”帶領(lǐng)團(tuán)隊開展該項研究的清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授洪波近日在接受《環(huán)球時報》記者采訪時表示，準(zhǔn)確來說，其團(tuán)隊開展的是全球首例無線微創(chuàng)腦機接口試驗，這與美國科研團(tuán)隊此前開展的打開硬腦膜全植入式的腦機接口試驗不同，中方團(tuán)隊技術(shù)路徑的關(guān)鍵在于微創(chuàng)。

無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO系統(tǒng)及其體內(nèi)機的設(shè)計合成圖（清華大學(xué)供圖）

目前，腦機接口技術(shù)按照其是否需要侵入大腦以及侵入的程度分為非侵入式、侵入式、半侵入式三類。洪波借用“屋子”來闡釋這些技術(shù)路徑的不同：假設(shè)人類的大腦是一間屋子，屋中坐了幾十個人，每個人都相當(dāng)于一個腦細(xì)胞，全侵入式方案就相當(dāng)于在每個人面前都放一個麥克風(fēng)，此時信號采集的效果是最好的。馬斯克“神經(jīng)連接”公司采用的就是這種腦機方案，在硬腦膜內(nèi)放入成百上千個電極采集腦細(xì)胞信號。而非侵入式的腦機技術(shù)相當(dāng)于在屋外放一個麥克風(fēng)，這時信號采集相對較弱，但安全性更高。而清華團(tuán)隊采用的則是一種“折中”的半侵入式方案，將電極放在硬腦膜外面?！按藭r采集的信號介于屋內(nèi)屋外兩者之間，有點像把麥克風(fēng)貼在門邊。我們追求的是安全性和性能之間的一種平衡?！焙椴ǚQ。

美國“神經(jīng)連接”公司直播中展示的腦機設(shè)備植入步驟。該侵入式方案與清華團(tuán)隊的微創(chuàng)方案有很大不同。

據(jù)了解，清華大學(xué)科研團(tuán)隊的無線微創(chuàng)植入腦機接口技術(shù)，是將多個電極貼在顱骨內(nèi)的硬腦膜上，這一區(qū)域雖然信號采集不如直接將電極插入腦細(xì)胞內(nèi)，但它不會對腦細(xì)胞產(chǎn)生損傷?！耙话闳说娘B骨厚度有6毫米到1厘米，兩側(cè)和后腦甚至更厚，這足夠嵌入電極和處理芯片。手術(shù)完成后，患者很快就可以回家，無線微創(chuàng)腦機技術(shù)更具長久性。”洪波表示。

從科學(xué)上講，侵入式腦機接口方案采集的信號量相較采用無線微創(chuàng)技術(shù)要強得多，但該技術(shù)的首要風(fēng)險是感染。由于這種技術(shù)需要用一根插頭連接大腦和外部設(shè)備，因此會產(chǎn)生一個開放式的創(chuàng)口。

此外，當(dāng)電極插進(jìn)腦細(xì)胞，會引發(fā)膠質(zhì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)。一段時間后，膠質(zhì)細(xì)胞就會包裹電極，導(dǎo)致信號變差、系統(tǒng)難以順暢工作。創(chuàng)傷感染和電極結(jié)痂也是馬斯克“神經(jīng)連接”公司腦機方案所面臨的兩大難題。

將拓展更多應(yīng)用場景

據(jù)首都醫(yī)科大學(xué)北京宣武醫(yī)院介紹，全球首例接受NEO植入腦內(nèi)的患者是一位因車禍引起的頸椎處脊髓完全性損傷的男性，該患者此前長期處于四肢癱瘓狀態(tài)。在完成NEO臨床植入試驗后，該患者經(jīng)過3個月的居家康復(fù)訓(xùn)練，目前可以通過腦電活動驅(qū)動氣動手套，實現(xiàn)自主喝水等腦控功能，抓握準(zhǔn)確率超過90%。洪波認(rèn)為，接下來的目標(biāo)是爭取獲得國家三類植入醫(yī)療器械許可證，團(tuán)隊正在準(zhǔn)備大規(guī)模臨床試驗，樂觀估計經(jīng)過兩年左右時間，無線微創(chuàng)植入腦機接口技術(shù)可獲得上市許可，這就意味著這套腦機接口系統(tǒng)將成為一個成熟的產(chǎn)品，可以在全國得到應(yīng)用。

一旦成熟應(yīng)用，受益的將不僅僅是高位截癱患者，洪波介紹稱，這項技術(shù)對于下肢康復(fù)患者、脊髓損傷患者，甚至漸凍癥、抑郁癥、癲癇、阿爾茨海默病等疾病患者都有相應(yīng)的應(yīng)用場景。以漸凍癥患者為例，患者四肢的運動神經(jīng)元幾近凋亡，喪失了運動和感覺的能力，如果能將這套腦機接口連接到患者的大腦運動皮層，就可以控制電腦屏幕的光標(biāo)。將來可以為漸凍癥患者制造腦控的鼠標(biāo)和鍵盤，用腦機接口技術(shù)操縱電腦打字，幫助漸凍癥患者寫文章并和他人交流。

“包括這項技術(shù)未來是否可以用作語言解碼，我們都在開展更精準(zhǔn)的研究，團(tuán)隊有很多基礎(chǔ)科學(xué)的積累，在國家自然科學(xué)基金和科技部資助下，正試圖揭示人腦中如何編碼漢語的語音和語言。如果再向遠(yuǎn)方展望，腦機接口技術(shù)不僅可以幫助殘疾患者，更重要的是，它有可能成為未來人類進(jìn)化中的重要一步。人類的行為是一種智能，富有靈活性和創(chuàng)造力，而機器的行為更加精準(zhǔn)高效，又是另外一種智能，兩者的融合將構(gòu)建一個無限可能的未來?！焙椴ǚQ。

“數(shù)字永生”還有多遠(yuǎn)？

除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景外，腦機接口技術(shù)還被認(rèn)為是一種具有顛覆性的前沿技術(shù)，馬斯克的“神經(jīng)連接”公司此前曾宣稱，腦機接口技術(shù)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是連接人類意識與數(shù)字虛擬世界，甚至實現(xiàn)科幻電影中的數(shù)字永生。

縱然互聯(lián)網(wǎng)上對于腦機接口技術(shù)有許多想象，但洪波認(rèn)為，立足現(xiàn)實，當(dāng)下的腦機接口技術(shù)并不意味著能夠用數(shù)字技術(shù)讀取大腦中的信號并解讀出當(dāng)中的信息，腦機接口技術(shù)距實現(xiàn)“讀腦”還有非常遠(yuǎn)的距離。

北京郵電大學(xué)人工智能學(xué)院人機交互與認(rèn)知工程實驗室主任劉偉也持相同看法。他在接受《環(huán)球時報》記者采訪時表示，目前的腦機交互技術(shù)更多集中在將人的腦電信號轉(zhuǎn)化為機器可以理解的指令或動作，實現(xiàn)自動化的交互。這種技術(shù)可以被用于控制外部設(shè)備，如假肢、輪椅等，并在一些實驗中也可用于控制電腦游戲或機器人等?！爱?dāng)前腦機交互更像是自動化交互，而不是智能化交互。”

“大家對于科幻電影中所展現(xiàn)的一些前沿概念，都有著樂觀的展望，但我認(rèn)為實現(xiàn)數(shù)字永生要經(jīng)歷三階段。第一階段就是用腦機接口技術(shù)幫助殘疾人以及一些特殊疾病患者，這也是我們當(dāng)前所處的階段。第二階段是實現(xiàn)人腦智能和機器智能的融合交互。完成這兩個階段后，我們才有可能實現(xiàn)所謂的數(shù)字永生?！焙椴ū硎?，人類作為一個意識主體，形成意識的關(guān)鍵機制是什么，目前尚未揭示，數(shù)字永生相當(dāng)于將人類大腦中所有神經(jīng)細(xì)胞及其連接的信息都復(fù)制到硅基計算系統(tǒng)中，用高維度的數(shù)理方程來定義一個“意識”主體。即便這一暢想可以實現(xiàn)，但實現(xiàn)過程中所面臨的科學(xué)問題仍然非常復(fù)雜。

“我們只有充分了解人類大腦工作的各種機理，才能夠在計算機人工智能和人類智能的接口之間實現(xiàn)更高的帶寬，我們?nèi)缃竦膸掃€不足以實現(xiàn)人機的智能融合。能否在近期讓這樣的科幻照進(jìn)現(xiàn)實，我個人持悲觀態(tài)度，如果說腦機接口技術(shù)是一本100頁的書，現(xiàn)在可能才剛翻開第一頁，只有等翻到第九十頁時，我們對于意識產(chǎn)生機制或許才能得到一些答案?！焙椴ń榻B稱，相關(guān)問題正在一步步解決中，當(dāng)中有多個技術(shù)瓶頸需要突破，首先就是要對腦科學(xué)的研究實現(xiàn)突破，至少要清楚地知道，究竟需要多少個電極，將電極放在大腦中的哪些地方才可以實現(xiàn)結(jié)合。其次需要科研團(tuán)隊進(jìn)一步改進(jìn)腦機接口系統(tǒng)的解碼算法，“比如語言解碼，如果想用腦機接口技術(shù)寫文章或?qū)懶≌f，如何設(shè)計人類語言的解碼算法，這個語言大模型的機制還不一樣，這需要持續(xù)開展研究。下一步，我們可能會在后續(xù)臨床試驗中改進(jìn)腦機接口解碼技術(shù)，我們希望能在今年上半年看到試驗結(jié)果?！?????????