腦機接口技術：從生活走向太空

　　北京時間8月29日早上，在15萬人圍觀的直播中，馬斯克發布了旗下公司Neuralink的腦機交互設備，并向大家展示了三只植入腦機芯片的小豬。

　　這次演示意在表明，Neuralink的腦機接口技術正在進步，有望在未來某一天安全地應用于人類。這種腦機接口技術可能會幫助一些身體狀況不那么理想的人。

　　我國的腦機接口研究者對此表示期待。那么，我們的腦機接口技術發展狀況是怎樣的呢？

　　腦機接口研究因患者起步

　　腦機接口，有時也稱作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動物腦(或者腦細胞的培養物)與外部設備間建立的直接連接通路。簡單來說，就是實現腦與機器之間的直接“對話”。該技術能用于教育、醫療，當下正被業內人士熱評為“技術上的新風口”。中國科學院院士、中科院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任蒲慕明在接受采訪時曾介紹：“腦機接口大致有兩類，一種是非侵入式的，即將電極放在頭皮上，通過腦波診斷來判斷大腦的狀態，做疾病的診斷，還可以用腦波來控制外面的機器、外骨骼系統。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、更準確的大腦的反應，進而更好地操縱外面的器械。”

　　馬斯克此次在新媒體上宣布的屬于侵入式腦機接口技術的應用。

　　在天津醫院康復科的治療室里，63歲的腦出血患者徐寶釧正在借助天津大學神經工程團隊研發的康復機器人系統，依靠運動想象進行手腕功能康復訓練。幫助他的康復機器人叫“神工”，核心技術就是腦機接口。

　　“神工”的“爸爸”是個70后的山東人，有著令人印象深刻的名字——明東。1994年，明東考進天津大學精儀學院生物醫學工程專業學習。“我們專業本科學制5年，醫工兼修。在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復治療非常困難，當時我就想，如果通過機器采集和讀取腦電信號，然后解碼輸出控制信號，讓身體執行，是不是可以為截癱患者建立新的人工運動神經通路，重新獲得運動能力。”

　　明東解釋：“大腦是宇宙中最復雜的系統之一，不但有極為復雜的神經網絡結構，還有千變萬化的動態信息。每說一段話，大腦里可能有上億個涉及的神經細胞在發放電信號。”

　　頭皮腦電波的信號非常微弱，只有百萬甚至千萬分之一伏，科研工作者要通過傳感裝置監測不同活動腦電波的變化，再通過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、破譯頭皮腦電信號類似于在非常嘈雜的購物中心遠遠地聽見、聽懂一個人自言自語的呢喃。聽到腦語、解讀腦語、輸出腦語涉及到傳感、材料、算法、介質……聽上去都不輕松，研究過程的艱難可想而知。

　　2014年首臺適用于全肢體中風康復的人工神經機器人系統——“神工一號”研制成功。融合了運動想象腦機接口技術和物理訓練康復療法，該系統在中風患者體外，仿生構筑了一條人工神經通路，經過模擬解碼患者的運動康復意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術，產生對應動作。隨后“神工二號”“神工三號”相繼研發成功。目前，“神工”已通過國家食品藥品監督管理總局(CFDA)檢測，在天津、山東多地三甲醫院進行臨床試驗，受益患者數千例。

　　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房間，非侵入式需要克服頭發、頭皮、顱骨等對信號的重重‘阻擋’；在大腦中植入芯片的侵入式就像在房間里聆聽和輸出腦語，這種方式雖然聽得清晰，但有安全風險。我國科研工作者目前在腦機接口方面的優勢研究方向更多集中在非侵入式，我相信隨著技術的不斷進步，‘屋外’的聆聽會和屋內一樣清晰，而且更安全。”

　　給太空探索帶來無限可能

　　在科學研究領域，世界各國都加大了對腦機接口技術的研究。腦機接口一直被列為美國最優先支持發展的顛覆性創新技術之一，近十年里，美國在腦機接口領域發表的論文總數排名第一，我國位于第二位。

　　2019第三屆世界智能大會上，世界首款腦機編解碼集成芯片——“腦語者”面試，它能夠采用先進的機器學習算法，對極微弱腦電特征進行精細分辨與快速解碼，輸出一個指令僅需1.7秒，首次實現了一個108個字符的高速腦機交互系統。2020年2月6日出版的《自然》雜志中稱“腦語者”保持了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀錄。

　　“有了腦語者芯片的加持，‘神工’可以化作一個體積更小的可穿戴便攜設備，可以輔助病人完成更多復雜而精細的肢體動作，如果把顱電磁刺激技術、機械外骨骼技術和虛擬現實技術結合一起，將能幫助到更多的病人。此外，腦機接口技術還能為抑郁癥、自閉癥、阿爾茲海默癥等一系列精神和神經系統疾病的診斷與治療帶來福音。”明東團隊骨干、天津大學神經工程中心許敏鵬副教授介紹。

　　明東團隊還通過對大腦運行機制與人機交互的融合，將類腦智能技術從治療出發開始運用到生活的許多方面。國內首款人感仿生神經系統，目前已成功應用于海爾集團的中央空調系統，空調有了如同人類的“感覺神經系統”，探測有多少人，怎樣送風由智能決定。而未來，這一技術將在家庭物聯網、居家養老看護等領域迎來更廣闊的應用前景。

　　“腦語者”研究的合作者，中國電子信息產業集團數據科學家、中電云腦科技有限公司總經理程龍龍博士表示，精解碼、高指令、快通信、強交互，是“腦語者”的四大優勢，使“意念控制”距離我們不再遙遠。未來該芯片系列還將不斷“進化”，為新一代腦機智能發展提供技術支撐。

　　明東團隊的實驗系統也走向了太空。2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行過程中，兩位航天員完成人類歷史上首次太空腦機交互。明東是這套實驗系統的主要設計者，他帶領團隊與中國航天員中心合作，通過大量地基實驗深入揭示了失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實現了高識別度、高穩定性、適于空間環境的腦機接口自適應分類技術；建立了針對航天特征的實驗策略和訓練方法，大幅提高系統識別正確率，為有效開展外太空和地球之間的差異對比建立穩定基線。此次測試進一步牽引了多項未來中國空間站任務的成功立項開展，從而為我國載人航天工程的新一代醫學與人因保障系統提供了關鍵科學依據與技術支撐。

　　中國生物醫學工程學會副理事長、中國工程院院士顧曉松說：“我們的夢想是未來通過人腦控制能完成更多的深空探索。上天設備要求重量小、性能高、更集約。所以腦機編解碼集成芯片很自然地成為下一個研究方向。”“腦語者”的研制成功，給人類在太空中的探索又帶來了無限可能。今年，國際首顆人機交互科學試驗衛星“天帷—天幄”號有望發射，一場人—星交互協作的空間實驗即將拉開帷幕。

　　明東介紹，腦機接口技術有三個發展階段：腦機接口、腦機交互和腦機融合。目前正由第一階段向第二階段發展過渡，未來腦機接口技術，將從目前腦機單向接口，進化為腦機雙向“交互”，最終有望實現腦機完全智能“融合”。

　　開學在即，將有150名本科生走進天津大學今年新設立的“新醫科實驗班”。這種以人工智能、物聯網、大數據、機器人等交叉學科前沿技術為醫學賦能，致力于培養具備家國情懷、全球視野、崇高醫德及人文關懷意識的醫學拔尖創新人才和醫工復合型領軍人才的培養模式，有望為腦機接口、智慧醫療等顛覆式創新領域培養出更多的研究者。

　　(本報記者 劉 茜 陳建強 本報通訊員 趙 暉)