腦機接口熱知識

這位老先生終於通過腦控機械手吃到了中華傳統美食——油條 | 李驍健 一席第800位講者

原創 一席YiXi 一席 2020-10-20

 

李驍健，中國科學院深圳先進技術研究院深港腦科學創新研究院研究員。

 

這樣看來好像這項技術還是有點兒風險的，那麽大家就要問了，發展植入式腦機接口技術對人類有什麽幫助嗎？

 

 

 

腦機接口熱知識

2020.09.26 廣州

                                

 

大家好，我叫李驍健，來自中國科學院深圳先進技術研究院深港腦科學創新研究院，我的研究領域是高性能腦機接口和類腦工程。

 

今天非常高興能夠受到邀請來到這裏，給大家講一些腦機接口——特別是植入式腦機接口的基礎知識和前沿介紹。

 

什麽是腦機接口？簡單來說，就是大腦與外界直接進行信息通訊的方式。聽著有點兒抽象對吧，我們不如先看看腦機接口能幹什麽。

 

我們通過眼睛、鼻子、耳朵、嘴，以及全身來接受外界信息，也可以通過語言和動作發出信息，就像我現在這樣。我們接收的信息非常多，發出的信息相對比較少，所以我們想通過腦機接口來彌補收發信息器官的這種帶寬差。

 

 

有一種情況是我這些器官受了損傷，我失明了，或者耳聾了，我們就想用腦機接口來替代這些受損傷的收發信息的器官。

 

還有一種可能性是我們完全不用這些器官了，我們直接從腦內把信息傳出去，外界信息也可以直接寫進來。大家先看一段視頻，這是一個科幻電影。

 

 

▲ 電影《阿凡達》片段

 

一個來自地球的殘疾的人類戰士，他來到潘多拉星，發現已經給他做了一個阿凡達。隻要他進入睡眠艙，他的意識就能替換到阿凡達體內，他就完全控製這個阿凡達了，阿凡達就是他自己，這是一種腦機接口的場景。

 

這個電影在後麵還展示了另一種場景，他的阿凡達騎到了飛龍的身上，他的辮子和飛龍的辮子連接在了一起，這樣形成了一個意識對接，他們之間可以不用說話，直接用意識互相溝通了。

 

▲ 電影《阿凡達》截圖

 

這個影片提到了兩種腦機接口場景，一種是意識替換，比較遺憾，目前從我們的角度還想不出這麽高要求的技術，包括遙感和遙控技術該怎麽弄，這個確實也還沒想出來。

 

另一種意識對接看起來是比較簡單，但是地球上的動物還沒有這種神經對接的器官，我們和任何一個動物都幹不了這種事。所以我們認為，《阿凡達》提到的這兩種腦機接口技術要實現還是很遙遠的。

 

我們再來看，這個原班團隊又拍了另一部科幻電影《阿麗塔：戰鬥天使》。這個小丫頭是這個醫生在垃圾堆裏找到的，剛開始隻找到了一個腦袋，後來給她造了一個身體。

 

▲ 電影《阿麗塔：戰鬥天使》片段

 

這裏麵講的技術就是腦神經與電子裝置的一種對接方式。從這個圖裏我們可以看到，當時這個醫生是怎麽給她做身體的。

 

▲ 電影《阿麗塔：戰鬥天使》截圖

 

腦袋有一個外殼，再配了一個機械電子的身體，這樣就實現了人腦組織和機械體的一種共融。我們覺得從生理角度上看，這種方式還是有一定可行性的。

 

 

 

01 

 

先來看一下我們的腦，它是有相對獨立的一些功能分區的。那麽，大腦它是怎麽實現這些複雜的功能的呢？

 

 

大腦是由近1000億個神經元構成的，這些神經元進行信息的接收、處理和轉發，它們通過級聯方式形成了通訊網絡，然後這些網絡交聯，就可以實現複雜信息的處理。

 

▲ 這個動畫中的神經元在閃爍，表明它正在進行信息處理。

 

那麽有個問題就是，要獲取這些神經元傳遞的信息，我們要怎麽做呢？其實比較簡單和直接，就是在大腦內放置很多傳感器來監聽這些神經元的活動。

 

那這些傳感器要放在哪裏呢？我舉一個相對比較直觀的例子，就是如果大家到球場看比賽，這裏就有一個所謂的“體育場效應”。當你站在球場中、在前排、在後排、在空中，聽到的聲音都是截然不同的。

 

 

如果想聽到球員說話的聲音，你就必須站在場內中間的位置。在大腦中放置傳感器也是同樣的道理。

 

這個傳感器，我們叫它神經電極，經過研究發現，它放得離神經元越近，我們獲得的信息的清晰度就越高。

 

 

馬斯克的Neuralink公司，它其實就采用了這種高清的模式。如果那個電極能夠貼在神經元上麵，這樣不但能夠清晰地讀取神經元的信息，而且還能把信息寫給神經元，希望未來能夠這麽實現。

 

▲ 一個想象圖

 

那Neuralink具體是怎麽做的呢？比如說下圖的這些神經電極，它們其實都比頭發還要細，非常柔軟。

 

▲ 左圖：矽基底上的薄膜狀電極；右圖：神經電極傳感器，它們的神經電極形態是通過在矽片上光刻出來的，這種方式製造的電極就非常軟。

 

Neuralink還專門研發了神經信息的處理器芯片，然後把兩者結合在一起，也就是他們在發布會上展示的東西。去年和今年的Neuralink展示的就是兩種集成方式。

 

 

去年的Neuralink有個USB的插頭，所以它是一種有線的傳輸模式，而今年的形式是有線圈的，它可以實現無線充電和數據傳輸。

 

接下來要做什麽呢？就是把顱骨開個洞，將這些柔性的電極植入腦內。比如下邊這個豬腦上麵的黑絲就是植入的這些電極，紅色的就是腦內的血管。

 

▲ 給豬腦植入了神經電極

 

到目前為止Neuralink一共展示了兩次，分別是它的兩個不同的裝備，去年展示時，把這種有線的Neuralink植入到了鼠的腦內，

 

▲ Neuralink去年的展示

 

上麵這個USB插頭如果插上USB數據線，再接上計算機，就可以把這個老鼠腦內的信息傳到計算機中了。

 

另外就是今年9月初剛展示的，這一次馬斯克一共展示了三隻小豬，我們分別來看一下。第一隻就是一隻很正常的小豬，什麽都沒有幹。

 

第二隻小豬，它的腦內被植入過Neuralink這個電子裝置，後來又取了出來。這個主要是證明植入這種東西後再取出來，並不會影響它的生活。

 

▲ 馬斯克展示的已取出電極後的第二隻小豬

 

真正的主角是第三隻小豬，它的腦內已經植入了Neuralink的電子裝置，這些“滴滴滴”的響聲所代表的，就是從它腦內采集到的神經信號代表的活動狀態。

 

 

▲ 馬斯克展示的第三隻小豬（視頻有聲音）

 

可以看到它的植入裝置有個特點，就是當這個豬的鼻子觸碰到外界物體時，它腦內的神經活動是有對應的反應的，這表明了它這個植入裝置采集了正確的神經信息。

 

它的植入裝置已經放進去兩個月了，它看起來還是挺健康活潑可愛的。然後他們還把這個小豬放在一個跑步機上，從它腦內的神經信號也可以看出它走路的節律。

 

 

據馬斯克說，這個設備已經申請到了創新性醫療器械，下一步應該就可以植入人腦了。

 

 

 

02

 

剛才看了馬斯克展示的那些設備，這裏我們也可以看看在科研中我們會用到的設備。這是我曾經用過的Plexon 128道的腦神經係統，我專門在它旁邊放了一個可樂罐，這樣一對比就可以看出，這個東西的體積並不小。

 

 

實際上馬斯克這次展示的1024道係統，我以前也用過和他同樣通道的，隻是需要8個128道係統，然後加上配套的計算機，堆起來大概有半麵牆這麽大。這就是它們兩個體積的差距，馬斯克的設備也充分表現出了這些年微電子和電子工程技術的發展。

 

我也順帶介紹一下我們現在研發的腦機接口係統，因為我們是用猴子做研究的，但這種動物不允許拍照，所以我就拿了一個玩具猴做示意。

 

 

我手裏拿著的小盒子，其實和Neuralink的設備有類似功能，也具有1024道腦神經信息采集的能力，雖然沒有他們的那麽小巧，不過我覺得也算是小型化了。與此同時，我們也在研製柔性電極傳感器。

 

 

 

03

 

那麽，會有人主動想在腦內植入電極嗎？

 

這是一個很好的問題。曆史上在美國有一個人專門這樣做過，他叫Phil Kennedy。這位先生是一名神經工程師，他想通過腦機接口技術讓漸凍症病人重新說話。

 

 

實際上Phil Kennedy是腦機接口領域的一個先驅了，他從上世紀80年代末就開始研究腦機接口技術。但是後來他發現一個問題，就是漸凍症病人已經病得很重不能說話了，所以說也不知道他要幹什麽，這就比較難研究了。

 

後來，肯尼迪就決定幹脆給自己腦袋植入電極，於是他找人給自己做了手術。不過在當時這個手術做得有點兒問題，術後他就發現自己說不了話了，不過好在過了一段時間後就又恢複了。從他能說話之後，他就開始采集自己腦內的神經信息。

 

 

 

過了一段時間後他把電極取了出來。他是在2014年給自己做的實驗，到目前為止，肯尼迪還是比較健康的，而且他現在還在繼續分析他從自己腦內采集的那些神經信息。

 

這樣看來好像這項技術還是有點兒風險的，那麽大家就要問了，發展植入式腦機接口技術對人類有什麽幫助嗎？

 

 

 

04

 

實際上植入式腦機接口技術的研究從上世紀六七十年代就開始了，越南戰爭時期，美國有很多殘疾退伍軍人，為了幫助這些人生活自理，人們就開始研究運動腦機接口技術，至今已經研究了幾十年了。

 

我們簡單回顧一下運動腦機接口技術的研究史。比如說在上世紀60年代，科學家們就在清醒的猴子腦內記錄到了和運動相關的神經細胞。

 

 

後來發現這些神經細胞的群體活動，和用手去抓東西的方向是一致的，這樣我們做運動腦機接口就有了神經科學的基礎。

 

在2006年，人們提出了一種人腦用的腦機接口方法，就是BrainGate。

 

 

BrainGate講的是從腦內采集出神經信號，傳給計算機，然後控製屏幕上的圖形運動。從這裏開始，植入式腦機接口就進入了實用階段。

 

後麵出現了一係列的裏程碑事件。比如說在2008年，世界上實現了第一個猴的腦控機器人。我們來看下視頻，

 

 

 

這是一隻猴子，它腦內植入了電極，然後腦信息傳遞到了一台計算機中，這台計算機可以控製這個機械手，當這隻猴子意識到它是可以腦控這隻機械手時，它就努力地控製這隻機械手去抓食物吃，最後它成功吃到了。

 

 

這個需要一段時間的訓練，猴子需要聚精會神地去想，讓這些神經真的能夠控製這個機械手按照它的意圖去做事情。

 

四年之後，又出現了另一個裏程碑的事件，世界上第一個人的腦控機器人。

 

 

▲ 右上角的黃圈就是安裝在大嬸腦袋上的電子裝置

 

這是一位癱瘓病人，可以看到她上肢是不能動的，所以她需要一個機械手臂來幫助她做想做的事情。其實跟那個猴子用的方法是一樣的，她的頭上也有一個電子裝置來采集她的神經信息，經計算機處理後變成機械控製指令，去控製機械手臂。

 

可以看到她特別努力地讓這支機械手臂靠近她，

 

 

 

終於喝到後，再控製這隻機械手把瓶子放回了桌子上。

 

 

這位大嬸實現運動腦機接口時有一個問題——她用機械手去抓東西，抓沒抓到她其實無法感知，是需要用眼睛去做判斷的，也就是說這隻機械手是不能給她提供觸覺的。而就在四年之後，2016年，世界上出現了第一個擁有觸覺的人腦控製機器人。

 

他叫Nathan，因為他出了車禍，手是完全不能動了，後來他就接受了腦機接口的植入手術，與此同時他在體感皮層也植入了電極。

 

 

跟奧巴馬見麵，兩人碰拳打了招呼。

 

 

當他和奧巴馬碰拳時，他接觸到奧巴馬的這個觸覺信息同樣能夠傳到他的腦內，於是他就知道“wow,我和奧巴馬已經碰拳了”。

 

 

 

05

 

經過前麵的介紹，總結一下運動腦機接口的係統構成，主要是三部分。

 

 

第一部分就是神經界麵，也就是植入的神經電極和腦內神經接觸的這部分。

 

植入電極其實這些年一直是在發展的，剛才介紹的其實都是這種硬質的電極，就像個挺硬的鞋刷子一樣，要用氣錘把它拍到腦組織中。

 

▲ Utah電極陣列

 

但是這麽硬的電極有一個問題，因為腦組織比較軟，所以容易引起腦的排異反應，這樣采集腦信號的質量會隨著時間逐漸衰減，過一段時間可能就采不到信號了，那時電極也就不能再用了。所以說電極的發展是由硬質逐漸向柔性發展，這種方式被認為在腦內能夠比較好的共融共生。

 

馬斯克這次展示的就是柔性電極陣列。但是柔性電極很軟，腦組織也很軟，電極就不好塞到腦袋裏去了。所以說他們又專門研製了像縫紉機一樣的機器人，把這種柔性的電極絲一個一個戳進腦袋。

 

采集到腦信號後，就進入到第二部分，腦機轉碼。腦機轉碼其實就是把采集的信號轉化成機械運動控製信號，同時把這些觸覺的傳感器信息再寫回到腦內。

 

 

腦機轉碼應用到了一些神經科學中的發展，比如說神經學習，可能對深度學習比較熟悉會更容易了解這一點，當然這塊兒的神經學習主體是大腦，是大腦自己在學習。

 

第三部分是仿生機械。

 

 

運動腦機接口是可以控製幾種裝置的，第一種就是仿生機械，像我們剛才視頻中看到的那樣，不難看出這些研發出來的仿生機械手，其實和人的手已經比較類似，有很高的靈巧度了。

 

還有一種方式，就是雖然病人癱瘓了，但他的胳膊還是健在的，可以讓他控製已經癱瘓的手去做自己想做的事。比如圖中這位誌願者，可以看到他的小臂上纏了很多綁帶，這些就是進行功能電刺激的裝置，會刺激他的肌肉，帶動他的手腕手指去做他想要做的動作。

 

 

前麵介紹的這些都是前些年在美國的研究成果，中國這方麵的起步是比較晚的，但可以欣喜地看到，國內也是有些研究成果的。比如說今年年初，浙江大學就完成了國內首例植入式腦機接口臨床轉化實驗。

 

圖中這位老先生終於通過大腦控製這個機械手吃到了中華傳統美食——油條。

 

 

這是通過他自己的意識吃到的，不是別人喂的他。這個研究的難點在於，這是一位高齡誌願者，年齡大的人做腦外科手術還是比較難的。

 

 

 

06

 

至此，我們已經知道了腦機接口可以在一定程度上恢複運動功能，實際上它也可以在視覺、聽覺和語言功能上起到恢複作用，比如說人工耳蝸、人工視網膜，或者是腦起搏器之類，這些已經是比較成熟的產品了。

 

在去年，也實現了第一個人腦神經解碼的語音合成器，可以看到根據解碼得到的肌肉控製信息合成的聲音與人類自己的發聲已經很像了。

 

 

 

其實這個功能就是前麵提到的Phil Kennedy先生想實現的，讓說不了話的人能夠說出話來。

 

除了剛才提到的用在感覺和運動功能的恢複上，腦機接口是否能夠用於治療精神疾病，比如說失憶、老年癡呆、焦慮、抑鬱和自閉等這些症狀呢？

 

僅從我個人的視角來說，我認為腦機接口技術其實提供了一種重要的介入手段，但現在研究上並沒有太能確定這些精神疾病的具體病灶，所以我們也就不好判定治療靶點。也就是說，腦機接口也許是一種工具，具體怎麽操作還需要進一步的研究。

 

前麵我們討論的都是將腦機接口技術用於疾病治療，那麽對於健康人來說，腦機接口是否有必要呢？這個問題我先不直接回答，我先舉一個動物的例子。

 

因為我是從深圳過來的，今年深圳可能是為了防止狗丟失，開始要求給狗注射身份芯片，用一種類似針筒的方式將芯片植入到動物的皮下。

 

 

這事反響挺大的，很多人問：“這樣做必不必要，需不需要？”怎麽說植入式腦機接口這種事情呢，如果你身體健康，而且沒有什麽特殊需求的話，是否要在自己腦袋裏做植入，我覺得就......還是自己去分析、判斷和決定吧。

 

最後我們可以對植入式腦機接口的未來場景做一些暢想。比如說我們看一下波士頓動力公司，他們研發的這種靈巧的雙足機器人，活動狀態跟人已經很相似了。我覺得這對我啟發還是挺大的。

 

 

著名科學家霍金先生一生大部分時間好像都是癱坐在輪椅上的，其實我們在想，這樣的疾病就可以通過植入式腦機接口技術，把他運動的意圖信息讀取出來，然後傳到這樣靈巧的機器人身上，把這個機器人做成一個外骨骼的機器人，帶著病人去他想去的地方，做他想做的事情。

 

另一種暢想呢，讓我們回到前麵的第二個影片《阿麗塔：戰鬥天使》，它實際上就是腦神經與神經形態的電子形成的一種融合人，也就是可以形成一種半人半機械人的形式，我們覺得這種方式在不太遙遠的將來也是有可能實現的。

 

 

在最開始的時候，我們說到想通過腦機接口來彌補人類收發器官的信息差，所以這項技術其實涉及到了高帶寬的傳輸數據，比如說現在正在推廣的5G技術，我們認為未來的6G技術，相比5G，應該是有千倍以上的通訊帶寬的。未來在6G高帶寬的無線通訊網絡的支持下，或許可能會實現多人多地域同時腦信息的自由交流。

 

綜合前麵的介紹，我主要想闡述的意思就是，腦機接口它是一門嚴謹的科學，它也並不算玄幻，因為我們一直在努力地研究它。我們也提到了一些願景，但是未來的願景能否實現，我覺得還是需要大家一起去努力和嚐試。

 

謝謝大家。