追问专访 | 天桥脑科学研究院研究员、上海微系统所研究员陶虎：“无创”脑机接口，在未来可以控制外骨骼吗？
# 追问按
在前面3期关于“脑机接口”的探索中，
我们从“脑机接口：用思想控制机器，还是机器控制思想？”这一问题出发，
追问到读取大脑活动的技术：“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？”
伴随着对无创脑机接口技术的兴趣，我们又继续探索了前沿科技——“播种小小的神经“颗粒”，就能在大脑和机器之间传输信息？”
在文章发布期间，有多位读者针对这些话题展开了更进一步的追问。其中，大家尤为关心“未来能否真正通过无创的方法来控制体外机器？”。
带着这一问题及其他相关问题，我们有幸邀请到在脑机接口领域取得多项创新性成果的陶虎研究员为我们进行解答。在采访最后，陶虎研究员也同追问编辑部分享了自己最感兴趣的一个脑机接口问题，并希望能有更多人共同寻找答案。以下为专访内容，欢迎大家阅读并继续追问！
陶虎
天桥脑科学研究院（TCCI）研究员
中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长，研究员，博士生导师
在美国波士顿大学取得博士学位，曾在美国塔夫茨大学进行博士后研究，具有丰富的科学研究与产业转化经验。陶虎研究员长期从事于新型微纳传感技术领域研究，在脑机接口、新型人工智能感知芯片以及生命电子信息等交叉领域均取得了多项创新性成果。陶虎研究员同时担任科技创新2030“新一代人工智能”重大项目研究首席科学家。
目前陶虎研究员主要研究的是生命科学和信息技术的交叉融合领域（BTIT），研究的主要方向包括基于新型生物材料制造的人体可植入、可降解的医疗器械；新一代人工智能中提出更高要求的智能传感器；脑机接口中的关键器件、核心装备以及核心应用的开发。
Q
未来能否通过无创方法来控制体外机器呢？比如外骨骼等？
在这里，或许我们需要对“无创”的定义进行重新的界定。如果是完全不深入大脑，我们获取的信息是有限的，目前所说的无创的、消费级别的脑机接口因为获取信息的上限，很难实现这个目标。如果希望通过脑机接口的互动来控制体外的机器，我们则需要更深层次的“无创”。
“无创”到底如何来定义？在临床上，我们一般将创口小于5mm的称之为无创。这是人体可以自愈的范围，比如我们抽血的针头，针头就是0.45mm， 虽然抽血也是“有创”操作，但是我们并不会觉得这对人体造成了实际的、难以恢复的“伤口”。
目前我们的研究成果已经可以将脑机接口的创伤控制在0.3mm，在取出后人体的伤口可以实现自愈。
未来我们希望将创口控制在0.1mm之内，针灸的针头大概也在这个尺度，我们希望将脑机接口的创伤控制到比针灸带来的“创口”类似甚至更小，这样或许就可以实现“无创”的情况下通过脑机接口获取脑内的深部信息，从而可以比较好的控制外部的机器设备。
Q
要实现近似“无创”的效果，如果我们采用侵入式和半侵入式的方法，在材料上需要如何考虑？这方面有最新进展吗？
我们以侵入式脑机接口为例，目前临床上批准的微阵列电极只有一款，就是犹他电极。出于收集脑部电信号的需求，犹他电极由导电硬质材料制作而成。
硬质电极存在的问题是什么呢？首先就是它会遭到人体的排斥。大脑会通过胶质细胞对植入物形成包围，形成神经疤痕，虽然不会导致电极损坏，但是神经疤痕会阻挡电信号的传导，导致电极无法正常工作。
如果把我们的大脑比作一块豆腐，那么固定在颅骨上的微针电极则像一根筷子，如果豆腐产生晃动，那么筷子就会磨损到周围的豆腐，硬质电极也会存在类似的问题，运动时候硬质电极会不断刺激大脑并进一步引发大脑的保护机制，使得排斥反应加剧，进一步缩短使用寿命。目前硬质材料在临床上也多用于高位瘫痪的人群。
另一方面，不论电极是什么材料制成，都是合成的一种材料，不论是化合物、塑料还是金属，对于人体本身而言，生物相容性都不尽完美。
因此目前来说，我们在选择侵入式的脑机接口的材料时会选择生物相容性比较好的材料，比如天然生物蛋白等，这一类蛋白进入人体后天然的排斥就比较低。
第二点则需要考虑到电极的柔软度。如果电极本身足够柔软，那么大脑在运动的时候，电极也会随之晃动，从而避免对大脑造成损伤。
这是目前选择材料的主要方向，包括我们选择研究的蚕丝蛋白等，都是为了尽可能降低侵入式的脑机接口材料对于大脑的损伤，从而让更多人可以接受。
Q
随着脑机接口材料对大脑活动的读取更加精准，我们能够进一步对人类的情绪情感和记忆进行解读吗？能够通过脑机接口实现永生吗？
对于情感、情绪、记忆背后的机制理解，目前尚处于探索的阶段。从理论或者终极的愿景上面来说，这确实是一个奋斗的目标。这里面涉及到多学科的合作和共同发展，随着技术的发展或许会逐步实现。
实际上，脑机接口需要实现的是双向的信息传递。比如我们控制机械手臂拿水杯，我们不仅要完成这个动作，还需要机械手臂反馈给我们水杯的信息，比如杯子的硬度、杯子是否比较烫等，实现双向的信息传递才是脑机接口的目标。
通过脑机接口实现永生，包括目前火热的“数字孪生”概念，将我们的思想、情感和意念都上传到云端，并且可以从云端上传和下载各种东西，这确实是一个很科幻的想法，不过从技术路线来说有可能实现的。只是实现的路径和时间还相对来说不是很明确。
在未来我们或许可以通过极其微小的、接近于无创的技术将传感器送入脑内，实现信息的双向传递。
Q
可以想象，实现这类思维活动的读取必然涉及海量的信息，我们该如何解析这些信息呢？人工智能可以提供何种助力？
这一个问题我们可以分成2块来看。第一块是我们需要采集多少信息，第二块则是我们如何处理获取的信息。
首先是信息采集部分，成人大脑中存在800多亿个神经元，并且每个神经元和周围的神经元之间也存在连接，这是一个十分庞大的数字。在未来的10~20年里，我们很难读取每一个神经元的活动，这是事实。但是另一个我们需要知道的是：我们并非真的要去读取每一个神经元，我们需要做的是从浩如烟海的信息中找到我们需要的信息。
举个简单的例子，单以深部神经信号举例，如果我们以30k~40kHZ的基本采样率来进行采集，以1万道采集点的数据进行采集，一秒钟产生的数据量就可以超过1个G，如果是更多的数据量，或者采集的是图像信息，那么数据量将十分巨大。因此筛选信息十分重要。
这时候我们就需要人工智能AI的介入，在一开始就从数据中筛选出我们需要的、关键的脑部活动信息，这可能仅仅占据庞大脑内数据中的万分之一。通过AI识别，可以提前对信息做预处理，提升获取的数据质量。这是AI结合脑机接口的重要研究方向。
另外一个方向就是通过AI对固定的神经编码进行解读，通过AI对脑部数据进行优化、压缩、分析，加速研究的整体进程。
Q
硬件、材料和算法方面的这些进展让脑机接口发展如此迅速，可以描绘下未来5—10年脑机接口的发展吗？
我们制定了脑机接口短期和中长期的目标，也一定程度上可以对应未来脑机接口的发展趋势。
我们的短期目标是希望通过脑机接口让患者恢复到“正常人”的状态，特别是受损的运动感知功能的修复。随着年龄的增加，神经退行性疾病的发病率开始升高。当然不仅仅如此，还有儿童的自闭症，中青年的抑郁等，这些都和神经功能的异常有关。我们的短期目标是希望可以通过脑机接口进行神经疾病的诊治。
简单来说，就是通过脑机接口帮助病人恢复感觉和运动，比如通过控制外接设备恢复运动能力，通过控制外接合成语言进行交流，这是我们短期内的目标，针对临床级别的神经相关疾病的应用。
在中长期的研究目标当中，我们希望可以帮助正常人获得更强的能力。实际上，我们的大脑就是一台超级计算机，基于脑机接口，我们可以让大脑发挥更多的功能。比如，通过红外摄像仪摄像直接传输进大脑，就可以帮助我们“看到”更多的不可见光；再比如通过机器接收更多频率的声音，再传输进入大脑，就可以帮助我们“听到”更多的声音。
这就是我们中长期的目标，希望帮助普通人获得更多的能力。要做到这一点，我们就需要对产品进行不断的优化迭代，尽可能实现“无创”，以便推动脑机接口的消费级推广。
来自@陶虎的问题：
人类大脑的极限是什么？脑机接口可以刺激并发挥人脑的极限吗？
针对陶虎研究员的问题，
我们将邀请更多嘉宾探索答案，
敬请期待！
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嘉宾：陶虎
作者：Aaron
编辑：Jiahui，EY
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