为了让意念更好地操纵机器，必须“钻开”脑袋吗？无创脑机接口何时到来？

KEYPOINTS

○ 无创技术是目前脑机接口技术专攻的一大方向，除脑电图（EEG）之外，相关技术还有脑磁图（MEG）、正电子发射型计算机断层显像（PET）、功能性磁共振成像技术（fMRI）和功能性近红外光谱技术（fNIRS）等。

○ 近些年脑机接口发展迅速，例如Caltech-TCCI脑科学研究院团队开发的新功能性超声技术（fUS），能以100微米的数量级来精确地测绘大脑深处相关区域活动图。Synchron公司研制的微创脑机接口，则在最近获FDA批文用于人体临床研究。在最新一项研究中，厦门大学团队开发的纳流控技术可兼容离子信号和水溶液信号，成功再现神经元电位类似信号，或成大脑信息双向沟通桥梁。

每年有数以万计的人因为事故、中风或者其他疾病陷入重度瘫痪，失去说话交流能力。对于重度瘫痪的人来说，无法和外界沟通交流意味着整个人将被完全困在“肉体”中。

但是最近一项发表在《新英格兰杂志》上的新研究有望改变这种局面。来自加州大学旧金山分校的神经外科学教授Edward Chang带领的研究团队开发了一种“语言神经假体”，可以通过植入到患者语言运动皮层上的高密度电机阵列，来反馈患者的语言活动，将来自大脑内的信号进行翻译，并通过文字形式直接展示在屏幕上，从而帮助患者实现实时沟通。

▷ Edward Chang医生正在进行脑部手术，图片来源：Barbara Ries拍摄

以上场景就是脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）的实际应用之一——BCI是一套允许大脑和机器之前进行通讯的系统，它可以将采集到的脑活动信号转换为信息或指令输出，从而实现大脑对外部设备的直接控制（绕过外周神经系统），包括收集大脑信号、解析大脑信号并向连接的机器（或者具体的器官）输出命令3个步骤。

▷ 通过外接设备收集大脑信息，图片来源：Pixabay

脑机接口通过外界设备对大脑的活动信号进行分析，将大脑指令传达到具体部位或者机器，因此可以绕过人体无法工作的部位（比如重度脊髓损伤等），从而完成大脑信息的传输，这使得BCI在多项疾病领域中都有着重要的作用，包括：

• 神经反馈；

• 恢复瘫痪人群的运动功能；

• 帮助语言功能受损的人进行交流等；

• ……

脑机接口发展历史

自1924年人类第一次通过脑电图记录神经元的电流活动以来，关于脑神经元的研究就从而停止；随后于1976年，BCI的概念正式诞生。进入到21世纪，随着计算机技术的迅速发展和交互需求的上升，BCI开始迅速发展并不断取得突破性成果。

1988年

第一个侵入式BCI植入人脑，输出了高质量的脑内信号

1999年

BCI被用于帮助四肢瘫痪患者进行手部运动

2002年

利用BCI成功训练猴类控制计算机鼠标

2003年

第一个BCI游戏BrainGate面世

2005年

BCI帮助猴脑控制外接机械臂

2008年

通过BCI实现脑内语言输出

2014年

通过互联网传输脑电信号直接和大脑进行沟通

伴随着技术的发展，BCI概念也日渐清晰。发展至今，根据获取脑内信息方式的不同，我们可以将BCI分为侵入式BCI、半侵入式BCI和无创BCI，而微创脑机接口已成为业内专攻的一大方向。例如，盛大资本参与投资的高科技企业Synchron研发的微创式脑机接口，可以在无需开颅的情况下安置，整体的手术时间不超过2个小时。该研究已经于去年10月植入到2名渐冻症患者体内，并成功帮助患者完成发短信、发送电子邮件、购物和操作网上银行等业务。

▷ 渐冻症患者通过大脑意识直接操控电脑，图片来源：Synchron

2021年8月2日，Synchron研发的微创式脑机接口获得FDA用于开展人体临床实验的批文。

▷ Synchron获得FDA批文用于人体临床研究，图片来源：Synchron

不过由于侵入式和半侵入式BCI存在道德、伦理以及技术上的风险，目前大家逐渐开始关注无创BCI。近两年，无创BCI取得了诸多突破，包括通过脑电波识别和解码实现“意念打字”、以及移动外骨骼设备等。

目前最常使用的无创BCI技术是通过脑电图（EEG）来采集大脑信息的——通过头皮上放置的电极来获取大脑活动时产生的电位变化（主要记录的常见信号特征有电位幅度、头皮面积、频谱、和等待时间等），从而判断脑内的活动。

由于EEG在安全性、时间分辨率、便携性以及成分方面的优势，使得其成为目前无创BCI最常用的信息采集方式。

无创脑机接口技术分类

但是大脑的信号十分复杂，除了EEG之外，也有着多种不同的、无创的大脑信号采集方式，帮助我们获取脑内信息。

脑磁图-MEG

Magnetoencephalography

MEG通过测量大脑中电流流动产生的磁场变化来记录脑内信息的变化——和EEG相比，磁场可以更好的穿过头骨和头皮，从而可以降低高频率下的信噪比。

正电子发射型计算机断层显像-PET

positron emission tomography

在之前的文章中我们提到过：大脑的质量虽然只有人体的2%，但是其消耗的能量高达20%，因此可以通过将放射性示踪剂附着在葡萄糖上来判断脑内活动情况。

当大脑活动的时候，其消耗的葡萄糖就会增加，根据大脑不同区域使用葡萄糖的情况来判断大脑的功能区。PET成像技术可以构建彩色的图像，大脑活动较为活跃的区域呈现出暖色，如黄色和红色。不过目前PET-CT也在取代PET。PET-CT可以提供更多的影像学信息，不过价格也相对昂贵。

功能性磁共振成像技术-fMRI

functional magnetic resonance imaging

除了消耗葡萄糖之外，大脑对于氧气的需求同样很高。毛细血管中的血红蛋白为大脑中的神经元输送氧气，当神经元处于活跃状态，会增加对于氧气的需求，从而增加血流量——这些变化可以通过MRI技术进行监测，从而让我们了解在执行特定的功能时哪些大脑区域是处于被激活的状态，从而分析大脑中不同部位对应的具体功能。

功能性近红外光谱技术-fNIRS

functional near-infrared spectroscopy

除了通过检测血流量，我们同样可以通过检测血管中的氧气含量来观察大脑内活动情况——大脑的活动越复杂，我们需要的氧气就越多。fNIRS通过红外线和磁场来判断大脑不同部位对于氧气的使用情况，进而判断脑部不同区域对应的功能。

这些方式都可以在无创的情况下帮助我们获得大脑内功能区的活动信息，并加以分析和使用，从而帮助我们更好地理解大脑此刻“在想什么”。

今年3月22日，Caltech-TCC脑科学研究院开发的一项新的微创脑机接口——使用新的功能性超声技术（fUS），可以100微米的数量级来精确地测绘大脑深处相关区域活动图。

▷ 新型微创脑机接口使用功能性超声技术准确地绘制大脑深处精确区域的大脑活动图，图片来源：天桥脑科学研究院

现阶段，BCI研究主要集中在将大脑本身活动波动的信号提取出来，再通过对信号的解析，来了解大脑本身的活动如何进行，从而控制外部设备或身体部位。

简单来说：我们大脑想“抬一下手臂”，大脑会将“抬一下手臂”转化为神经元之间的信号，通过信号传导，最终抬起手臂。我们需要做的就是截取这段信号，并解析还原，直接传递给手部的接收神经元，完成“抬一下手臂”的指令（或指导机械手臂完成抬起动作）。

随着越来越多的大脑活动被解析，以及大样本量数据的积累，我们对于大脑发出的指令将了解的越来越清晰。在未来，当我们积累了足够多的数据和经验，是否可以直接将某种技能和能力通过信息模拟“回输”给大脑？

无创脑机接口如何改变未来？

这样的探索并未停止，除了文章开头的提到的帮助重度瘫痪无法说话的患者提供实时沟通交流的技术之外，我们同样可以给大脑输入一定量的“信息”。

2020年5月份发表在《细胞》杂志上的一项研究中，Michael S. Beauchamp等人就通过BCI为患者“输入信息”帮助盲人实现了新的视觉感知：大多数获得性失明的患者，往往都是眼睛或视神经受损，为“输入信息”的端口出现“故障”，因此我们可以通过直接刺激视觉神经假体（VCP）来产生视觉感知——通过新的刺激范式直接刺激失明患者的VCP让失明患者成功看到了连贯的字母“Z”，这表明我们可以直接通过BCI接口向大脑传输进视觉信息。

▷ 视觉皮层的刺激范式，图片来源：Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans

要知道，人类从某种意义上来说是一种“视觉动物”——人类大脑皮层几乎1/3的面积都被视觉相关区域占据，因此当视觉感知可以直接通过刺激被“回输”进大脑，就意味着或许我们可以将更多的信息传递给大脑。

另外，人脑中的信号载体主要是不同尺寸、形状和化学性质的离子，为了实现大脑和机器之间更好的信息交互，我们也需要新的可以链接电信号和脑内离子信号的途径。

2021年8月6日由来自厦门大学化学化工学院和物理科学与技术学院的双聘教授侯旭团队发表在《科学》杂志上的文章就为我们提供了一个新的信号传递途径：通过新兴的仿生纳流离子学来建立起大脑和计算机之间的联系。

▷《科学》杂志文章截图 | 纳流控是一门研究纳米限域空间中流体行为的新兴学科，图片来源：《科学》杂志官网

作为一项新兴的技术，纳流控研究目前依旧处于高速发展的状态，不过其本身具有的2大特质使得其成为大脑和外接设备之间的纽带——一方面基于离子传导的纳流离子器件具有与神经元兼容的信号，另一方面，其还兼容生理水溶液环境。

基于这两种特性，研究人员利用二位平面纳流器件，成功的再现了和生物神经元产生的电压尖峰动作电位相类似的信号，这意味着其或许可以成为我们和大脑直接沟通、传递信息的重要桥梁。

随着技术的发展，我们就有可能将更多的信息通过多种方式“回输”进大脑：

• 比如我们大脑内储存的记忆，是否也可以通过类似的方式模拟并完成传输？

• 是否可以通过回输记忆来帮助我们获得某一阶段的知识或技能？

• 无创BCI是否有可能完成对人大脑的精神控制？

• ……

为此，我们将邀请BCI领域资深科学家来回答这些问题。如果大家还想追问更多关于脑机接口的问题，欢迎添加小助手微信（questionlab），申请加入我们的社群参与讨论。

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作者：Aaron

编辑：Jiahui，EY

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[1] “Neuroprosthesis” Restores Words to Man with Paralysis”——Technology Could Lead to More Natural Communication for People Who Have Suffered Speech Loss.

[2] Reading Minds with Ultrasound: A Less-Invasive Technique to Decode the Brain's Intentions.

[3]Beauchamp et al., 2020, Cell 181, 774–783May 14, 2020 Published by Elsevier Inc.https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.033.

[4]Y. Hou, and X. Hou, Bioinspired Nanofluidic Iontronics. Science 373, 628 (2021)..

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