腦機(jī)接口技術(shù)：從生活走向太空

　　北京時(shí)間8月29日早上，在15萬(wàn)人圍觀的直播中，馬斯克發(fā)布了旗下公司Neuralink的腦機(jī)交互設(shè)備，并向大家展示了三只植入腦機(jī)芯片的小豬。

　　這次演示意在表明，Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)正在進(jìn)步，有望在未來(lái)某一天安全地應(yīng)用于人類。這種腦機(jī)接口技術(shù)可能會(huì)幫助一些身體狀況不那么理想的人。

　　我國(guó)的腦機(jī)接口研究者對(duì)此表示期待。那么，我們的腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r是怎樣的呢？

　　腦機(jī)接口研究因患者起步

　　腦機(jī)接口，有時(shí)也稱作“大腦端口”或者“腦機(jī)融合感知”，它是在人或動(dòng)物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是實(shí)現(xiàn)腦與機(jī)器之間的直接“對(duì)話”。該技術(shù)能用于教育、醫(yī)療，當(dāng)下正被業(yè)內(nèi)人士熱評(píng)為“技術(shù)上的新風(fēng)口”。中國(guó)科學(xué)院院士、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明在接受采訪時(shí)曾介紹：“腦機(jī)接口大致有兩類，一種是非侵入式的，即將電極放在頭皮上，通過(guò)腦波診斷來(lái)判斷大腦的狀態(tài)，做疾病的診斷，還可以用腦波來(lái)控制外面的機(jī)器、外骨骼系統(tǒng)。另外一種是侵入式的，即直接把電極插入到大腦皮層，它可以記錄更多、更準(zhǔn)確的大腦的反應(yīng)，進(jìn)而更好地操縱外面的器械?！?/p>

　　馬斯克此次在新媒體上宣布的屬于侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用。

　　在天津醫(yī)院康復(fù)科的治療室里，63歲的腦出血患者徐寶釧正在借助天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，依靠運(yùn)動(dòng)想象進(jìn)行手腕功能康復(fù)訓(xùn)練。幫助他的康復(fù)機(jī)器人叫“神工”，核心技術(shù)就是腦機(jī)接口。

　　“神工”的“爸爸”是個(gè)70后的山東人，有著令人印象深刻的名字——明東。1994年，明東考進(jìn)天津大學(xué)精儀學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)?！拔覀儗I(yè)本科學(xué)制5年，醫(yī)工兼修。在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復(fù)治療非常困難，當(dāng)時(shí)我就想，如果通過(guò)機(jī)器采集和讀取腦電信號(hào)，然后解碼輸出控制信號(hào)，讓身體執(zhí)行，是不是可以為截癱患者建立新的人工運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路，重新獲得運(yùn)動(dòng)能力?！?/p>

　　明東解釋：“大腦是宇宙中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，不但有極為復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還有千變?nèi)f化的動(dòng)態(tài)信息。每說(shuō)一段話，大腦里可能有上億個(gè)涉及的神經(jīng)細(xì)胞在發(fā)放電信號(hào)?！?/p>

　　頭皮腦電波的信號(hào)非常微弱，只有百萬(wàn)甚至千萬(wàn)分之一伏，科研工作者要通過(guò)傳感裝置監(jiān)測(cè)不同活動(dòng)腦電波的變化，再通過(guò)這些信息研判出人在做什么樣的思考或者有什么意圖。捕捉、破譯頭皮腦電信號(hào)類似于在非常嘈雜的購(gòu)物中心遠(yuǎn)遠(yuǎn)地聽(tīng)見(jiàn)、聽(tīng)懂一個(gè)人自言自語(yǔ)的呢喃。聽(tīng)到腦語(yǔ)、解讀腦語(yǔ)、輸出腦語(yǔ)涉及到傳感、材料、算法、介質(zhì)……聽(tīng)上去都不輕松，研究過(guò)程的艱難可想而知。

　　2014年首臺(tái)適用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)——“神工一號(hào)”研制成功。融合了運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口技術(shù)和物理訓(xùn)練康復(fù)療法，該系統(tǒng)在中風(fēng)患者體外，仿生構(gòu)筑了一條人工神經(jīng)通路，經(jīng)過(guò)模擬解碼患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)意念信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)多級(jí)神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)動(dòng)作。隨后“神工二號(hào)”“神工三號(hào)”相繼研發(fā)成功。目前，“神工”已通過(guò)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)檢測(cè)，在天津、山東多地三甲醫(yī)院進(jìn)行臨床試驗(yàn)，受益患者數(shù)千例。

　　明東解讀：“侵入式與非侵入式兩者各有利弊，如果把人的頭顱比作一個(gè)房間，非侵入式需要克服頭發(fā)、頭皮、顱骨等對(duì)信號(hào)的重重‘阻擋’；在大腦中植入芯片的侵入式就像在房間里聆聽(tīng)和輸出腦語(yǔ)，這種方式雖然聽(tīng)得清晰，但有安全風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)科研工作者目前在腦機(jī)接口方面的優(yōu)勢(shì)研究方向更多集中在非侵入式，我相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，‘屋外’的聆聽(tīng)會(huì)和屋內(nèi)一樣清晰，而且更安全。”

　　給太空探索帶來(lái)無(wú)限可能

　　在科學(xué)研究領(lǐng)域，世界各國(guó)都加大了對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的研究。腦機(jī)接口一直被列為美國(guó)最優(yōu)先支持發(fā)展的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)之一，近十年里，美國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)表的論文總數(shù)排名第一，我國(guó)位于第二位。

　　2019第三屆世界智能大會(huì)上，世界首款腦機(jī)編解碼集成芯片——“腦語(yǔ)者”面試，它能夠采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)極微弱腦電特征進(jìn)行精細(xì)分辨與快速解碼，輸出一個(gè)指令僅需1.7秒，首次實(shí)現(xiàn)了一個(gè)108個(gè)字符的高速腦機(jī)交互系統(tǒng)。2020年2月6日出版的《自然》雜志中稱“腦語(yǔ)者”保持了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀(jì)錄。

　　“有了腦語(yǔ)者芯片的加持，‘神工’可以化作一個(gè)體積更小的可穿戴便攜設(shè)備，可以輔助病人完成更多復(fù)雜而精細(xì)的肢體動(dòng)作，如果把顱電磁刺激技術(shù)、機(jī)械外骨骼技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合一起，將能幫助到更多的病人。此外，腦機(jī)接口技術(shù)還能為抑郁癥、自閉癥、阿爾茲海默癥等一系列精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療帶來(lái)福音。”明東團(tuán)隊(duì)骨干、天津大學(xué)神經(jīng)工程中心許敏鵬副教授介紹。

　　明東團(tuán)隊(duì)還通過(guò)對(duì)大腦運(yùn)行機(jī)制與人機(jī)交互的融合，將類腦智能技術(shù)從治療出發(fā)開(kāi)始運(yùn)用到生活的許多方面。國(guó)內(nèi)首款人感仿生神經(jīng)系統(tǒng)，目前已成功應(yīng)用于海爾集團(tuán)的中央空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)有了如同人類的“感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)”，探測(cè)有多少人，怎樣送風(fēng)由智能決定。而未來(lái)，這一技術(shù)將在家庭物聯(lián)網(wǎng)、居家養(yǎng)老看護(hù)等領(lǐng)域迎來(lái)更廣闊的應(yīng)用前景。

　　“腦語(yǔ)者”研究的合作者，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)數(shù)據(jù)科學(xué)家、中電云腦科技有限公司總經(jīng)理程龍龍博士表示，精解碼、高指令、快通信、強(qiáng)交互，是“腦語(yǔ)者”的四大優(yōu)勢(shì)，使“意念控制”距離我們不再遙遠(yuǎn)。未來(lái)該芯片系列還將不斷“進(jìn)化”，為新一代腦機(jī)智能發(fā)展提供技術(shù)支撐。

　　明東團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也走向了太空。2016年，天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)載人飛行過(guò)程中，兩位航天員完成人類歷史上首次太空腦機(jī)交互。明東是這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)者，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)航天員中心合作，通過(guò)大量地基實(shí)驗(yàn)深入揭示了失重、噪聲、情緒等對(duì)腦電的影響，實(shí)現(xiàn)了高識(shí)別度、高穩(wěn)定性、適于空間環(huán)境的腦機(jī)接口自適應(yīng)分類技術(shù)；建立了針對(duì)航天特征的實(shí)驗(yàn)策略和訓(xùn)練方法，大幅提高系統(tǒng)識(shí)別正確率，為有效開(kāi)展外太空和地球之間的差異對(duì)比建立穩(wěn)定基線。此次測(cè)試進(jìn)一步牽引了多項(xiàng)未來(lái)中國(guó)空間站任務(wù)的成功立項(xiàng)開(kāi)展，從而為我國(guó)載人航天工程的新一代醫(yī)學(xué)與人因保障系統(tǒng)提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

　　中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士顧曉松說(shuō)：“我們的夢(mèng)想是未來(lái)通過(guò)人腦控制能完成更多的深空探索。上天設(shè)備要求重量小、性能高、更集約。所以腦機(jī)編解碼集成芯片很自然地成為下一個(gè)研究方向?！薄澳X語(yǔ)者”的研制成功，給人類在太空中的探索又帶來(lái)了無(wú)限可能。今年，國(guó)際首顆人機(jī)交互科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“天帷—天幄”號(hào)有望發(fā)射，一場(chǎng)人—星交互協(xié)作的空間實(shí)驗(yàn)即將拉開(kāi)帷幕。

　　明東介紹，腦機(jī)接口技術(shù)有三個(gè)發(fā)展階段：腦機(jī)接口、腦機(jī)交互和腦機(jī)融合。目前正由第一階段向第二階段發(fā)展過(guò)渡，未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)，將從目前腦機(jī)單向接口，進(jìn)化為腦機(jī)雙向“交互”，最終有望實(shí)現(xiàn)腦機(jī)完全智能“融合”。

　　開(kāi)學(xué)在即，將有150名本科生走進(jìn)天津大學(xué)今年新設(shè)立的“新醫(yī)科實(shí)驗(yàn)班”。這種以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等交叉學(xué)科前沿技術(shù)為醫(yī)學(xué)賦能，致力于培養(yǎng)具備家國(guó)情懷、全球視野、崇高醫(yī)德及人文關(guān)懷意識(shí)的醫(yī)學(xué)拔尖創(chuàng)新人才和醫(yī)工復(fù)合型領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)模式，有望為腦機(jī)接口、智慧醫(yī)療等顛覆式創(chuàng)新領(lǐng)域培養(yǎng)出更多的研究者。

　　(本報(bào)記者 劉 茜 陳建強(qiáng) 本報(bào)通訊員 趙 暉)