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别再羡慕马斯克的脑机接口了,中国强大的脑机接口在这里

硅谷密探 · 2020-09-09
中国脑机接口技术正在迅猛发展

编者按:本文来自微信公众号“硅谷洞察”(ID:guigudiyixian),作者:Jiachang Pan,编辑:SV Insight,36氪经授权发布。

随着近日马斯克投资的脑机接口初创公司Neuralink成功读取实验猪的脑部数据,脑机接口技术再次大火了一把。这一次的实验,动物种类从小白鼠升级到了小猪,传输上从USB连接线升级到无线。此外芯片还实现了微型化,传输过程中不发热。

科幻大片中,几根电极插入脑中就能让人类进入计算机世界,只需要一个意念就能改变现实;知识不需要死记硬背,靠芯片植入大脑就能获得无穷技能......这些电影大片描绘的科幻场景,现在看来,已经是基于“脑机接口”的合理设想。

电影《黑客帝国》中,人类通过脑机接口与母体系统相连接

被控制的人脑沉浸在母体虚构的世界里,人脑在系统中也可以相互沟通

脑机接口技术其实已经走过了半个世纪。早在1969年,德裔美国神经学家埃伯哈德·费兹(Eberhard Fetz)训练猴子利用思考活动触发神经元,启动了连接神经元的仪表盘,从而完成了第一个真正的脑机接口实验。

1978年,生物学家William Dobelle将68个电极的阵列植入了一位男性盲人Jerry的视觉皮层,盲人随后可以在有限的视野内看到灰度调制的点阵图像。

1978年,通过将68个电极植入盲人的视觉皮层,盲人可以看到灰度调制的点阵图像

20世纪末和本世纪初是脑机接口技术的另一个发展高潮。

1998年,美国科学家将脑机接口植入患有脑干中风病人的脑中,该病人实现了对电脑光标的控制。时间来到了2014年,在巴西世界杯,身着机械战甲的截肢残疾者凭借脑机接口和机械外骨骼完成了首开球,闻名世界。其发明者是法国科学院院士米格尔·尼科莱利斯。

2014年巴西世界杯,利用脑机接口技术,高位截瘫的患者完成了首发球

读到这里,大家仿佛发现,不管是脑机接口的最初构想,还是随后的技术发展,鲜有中国科学家的足迹。但其实,中国的脑机接口技术虽然起步较晚,但21世纪以来发展可谓是突飞猛进。浙江大学的侵入式脑机接口技术和孵化于上海交通大学的念通智能都已经取得了令人瞩目的成果。

在介绍中国的脑机接口技术之前,我们先来简单了解下脑机接口技术的分类。

脑机接口技术的三大分类

脑机接口的形式,可按照在大脑中的采集位置分为非侵入式(又称非植入式)、半侵入式和侵入式(又称植入式)三种。人的大脑从内到外依次是头皮、头盖骨、脑硬膜、蛛网膜和大脑皮层。非侵入式模式(EEG)仅作用于头皮;而半侵入式(Partially invasive BCI)则将设备植入头皮和大脑皮层之间;侵入式(Invasive BCI)则完全植入大脑皮层。

非侵入式仅作用于头皮,而侵入式则完全植入大脑皮层

因此,我们很容易能了解到,侵入式危险性高,因为必须通过开颅手术等方式向脑组织内植入传感器,容易引发机体免疫反应。此外,愈合组织(可简单想象为痂)也会影响信号传输。

从接受度来讲,侵入式因必须进行开颅手术,让人望而却步,不易被接受。相较而言,非侵入式并不进入大脑,仅在头骨外检测信号,像帽子一样,因而具备易用性、便携性,价格相对也较低。

马斯克近日发布的在猪身上进行的脑机接口实验,就是个侵入式的脑机接口案例。之所以引起广泛的关注,是因为该实验不仅能从猪脑中获得清晰的信号,而且实验中通过脑电波图像显示植入脑机接口的猪依旧十分“快乐”,证明此技术对猪大脑功能本身几乎没有产生不良影响。

但是,从技术的角度上并不存在“侵入式比非侵入式高级”这种说法。侵入式因为少了颅骨的阻挡,比较容易精确地读取信号。但后期可能因为免疫反应或者愈合组织影响信号传播,可能对人体健康造成危害。非侵入式则因为颅骨的阻挡需要在信号的读取和传播上下很大功夫。因此,二者各有难处,都有许多公司在进行研究。

浙江大学:侵入式接口,瘫痪者精准控制机械手臂

当对国外脑机接口技术啧啧称奇之时,大家不要忘记中国的脑机接口技术也在蓬勃发展。2020年初,浙江大学完成了国内首例植入式脑机接口临床转化研究,患者可以利用大脑皮层信号精准控制外部机械臂与机械手,实现三维空间的运动,因此属于侵入式的范畴。

72岁的实验患者此前因车祸造成四肢完全瘫痪,而现在借助脑机接口的设备,可以利用“意念”完成吃、喝等动作。患者对准一个放着油条的杯子,用“意念”让机械手张开手指、握住杯子,再取回杯子。

虽然挪动的过程并不顺畅,时而偏左或偏右,患者必须“使劲”想着“往左”或者“往右”来调整机械臂的方向。但对于高位截瘫的患者,能够利用脑机接口技术实现部分独立性也是难能可贵。

患者头上的为侵入式脑机接口,该设备帮助全瘫痪的病人实现部分自理能力

其实早在2012年,浙大团队就已经在猴子脑中进行过脑机接口的实验。研究员在猴子脑中植入微电极阵列,运用计算机破解了猴子大脑中关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号。

而2014年,浙大团队又在人脑内植入皮层脑电微电极,通过脑内活动完成“石头、剪刀、布”的手指动作。从猴子大脑到人类大脑,对信号的解码、编码、运算方式及效率都提出了挑战。再加上人的大脑受环境影响更大,计算机处理信号的复杂程度也大大增加。

2012年在猴子身上进行的实验,相当于在患者大脑皮层表面“盖”上一块电极片,电极本身并未插入大脑皮层内部,因而属于半侵入式。但今年年初对张先生进行的实验,是将微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面,属于植入式操作,可以检测到单个神经元细胞放电状况,因而获取的信号更为直接、稳定。

上海交通大学:非侵入式接口,助力外骨骼康复

孵化于上海交通大学的念通智能致力于为脑卒中患者、截肢患者等肢体功能障碍用户提供康复产品和技术方案。2019年6月,念通智能研发的eCon-Hand脑控外骨骼康复系统进入临床测试阶段。该系统包括脑电帽以及外骨骼康复手。

2019世界机器人大会在北京举行,念通智能携旗下脑控外骨骼康复系统参展

(图片由企业提供)

脑电帽专门为驱动中风患者的运动功能而设计,采集的脑电波信号主要来自患者的运动体感区,从而促进患者的上肢运动。而外骨骼康复手主要用于辅助中风患者进行手部的康复训练。

脑电帽和外骨骼康复手是如何协同帮助患者进行康复训练的呢?患者利用自主意识,在大脑产生运动想法,而脑电帽会检测到患者的“意念”。当脑电帽从收到的信号中检测出患者的运动意图时,患者手掌佩戴的康复器就会辅助患者进行指关节运动,从而实现脑手联动。

脑磁图中,患者运动意图信号示意图

依靠康复治疗师对患者进行康复治疗是一种被动治疗,而以脑机接口技术为背景的康复治疗,是一种主动的治疗模式。医师利用脑电帽采集患者的脑电波,以此解码出患者的运动意图,再借助外骨骼康复手辅助患者进行手部抓握训练,整个过程由患者的自主意识控制。

总的来说,中国的脑机交互技术虽然发展较晚,21世纪才开始纳入研究,但发展迅猛。目前,中国高校在脑机交互技术研发方面非常踊跃,浙江大学、天津大学、南方科技大学、上海交通大学、西安交通大学等高校皆有建树;而国际范围内,新加坡科技研究局、美国斯坦福大学、韩国首尔大学、日本丰田汽车等是较为积极的研发机构。

脑机接口技术的未来前景

以2016年的数据为例,根据ThomsonInnovation专利数据库,中国脑机接口方面的专利数量达到207,美国仅为60,韩国36,日本20。虽然专利数量上表现良好,但中国的脑机交互技术大多聚集在医疗领域,例如上文中提到的用于截瘫治疗等。而美国的脑机接口技术涉及的领域则更为多元,在人工智能、生物工程、材料科学等领域均有涉猎。

TOP5最受关注脑机接口公司都来自北美与欧洲(硅谷洞察制图)

脑机接口最初设想是应用于军事领域:士兵通过大脑直接控制武器,甚至远程操纵战斗机和无人机作战。这将大大提高军队的战斗力。但如今脑机接口在民用范围的研究更加广泛。医疗领域自不必说,在日常生活娱乐中,也可以取代传统鼠标键盘和其他手控操作完成玩电脑、打游戏、看电视等操作,大大增加生活的趣味性。

但目前,脑机接口技术面临严峻的商业化问题。难以想象侵入式接口这种需要通过手术将电极或其他探测传感器植入大脑、直接接触神经元的方式能够形成商业规模。非侵入式接口是商业化中进展较好的一类,但受限于佩戴时的不准确性,以及颅骨的信号阻碍作用,难以实现高精度。

此外,脑机接口技术非技术层面也仍然面临很多障碍,如伦理问题、审查问题等。因此,想要脑机接口真正走入我们的日常生活中,这条路还很长。

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