会议回顾 | TCCI专题论坛：脑机接口和应用神经技术
追问按
人类的好奇心促使我们不断地提出问题、发起追问，也正是如此，科学发展才有了源源不断的动力。而在人类踏入到脑科学这一领域之时，追问就从未停止：人类对于大脑的研究才刚刚起步，一个个追问推动脑科学研究发展。
2021年9月，中国神经科学学会第十四届全国学术会议在重庆召开，在此期间，天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）举办的“TCCI应用神经技术、人工智能与精神健康专题论坛”就对脑科学的前沿话题展开了追问。在两个半小时的会议中，来自多个领域的专家分别围绕“脑机接口和应用神经技术”“人工智能和精神健康”两个主题，对“新的脑机接口技术如何造福人类”“精神疾病如何得到精准的诊断和治疗”等一系列问题进行了详细的报告和讨论。专家们不仅对此前向读者征集的问题作了回答，也和参与现场“追问”的学者们进行了更深入的交流。
◁ 专题嘉宾 ◁
在第一场专题“脑机接口和应用神经技术”中，毛颖教授在开场介绍中特别提到了前不久公布的中国脑计划项目申报，有很大一部分经费都会用来支持脑机接口。而在很早的时候，天桥脑科学研究院就和华山医院虹桥院区合作，成立应用神经技术实验室，通过结合临床神经外科和基础神经科学的研究，从这两个方向集中研究大脑的功能，其中便涉及到对脑机接口应用的探索。
“那么脑机接口仅仅是大火的概念，还是已经实实在在造福人类了？”在这个问题面前，毛颖教授指出“最有可能去把脑机接口放到人脑当中的，可能是神经外科医生。”对此华山医院神经外科的陈亮教授接过毛颖教授的提问，从临床应用方面对脑机接口做了介绍和畅想。
▷ 毛颖教授致辞
陈亮：脑机接口的临床应用
陈亮教授表示近几年来脑机接口在临床上有了诸多突破。目前脑机接口临床阶段研究有多个方向均有比较好的突破，包括辅助运动、语言合成、视力重建，甚至情感补偿等。
▷ 陈亮教授演讲
陈亮教授说道，早在2015年，有研究团队就通过脑机接口实现对机械臂的控制，帮助瘫痪数年的患者完成了喝水的动作。在此基础上，研究团队开始尝试为机械臂赋予一些感觉的反馈，最主要的就是触觉反馈。触觉反馈的好处是在机械臂碰触到物体的瞬间抓住物体，并在移动过程中保持这个状态，避免物体摔落。来自匹斯堡大学的研究通过一个专门的电极刺激大脑对应区域从而产生触觉感受，可以触发大脑皮层感知到机械臂的运动，实现控制。
在完成抓起杯子的整个动作的过程中，除了上肢的运动之外，下肢的运动也是十分重要。来自瑞士的运动通过在猴子的胸段进行了一个半切，之后通过不同电极刺激控制下肢运动的大脑皮层以及腰段的脊髓神经来控制猴下肢的运动。
陈亮教授接着表示，这是脑机接口在有运动障碍方面的探索，目前来说脑机接口还有一个非常关键的问题在于接口的改良，接口决定了我们获取的脑内信息的质量。
目前脑机接口主要分为无创、半侵入式和侵入式脑机接口，无创脑机接口主要获取的信息来自于头皮和脑电，优点是没有创伤，但是其获取的信号质量可能无法满足一些医学临床上的应用。半侵入式的脑机接口获取的是大脑皮层的信息，相对来说采集的信号丰度很高，但是相对应的，则是需要进行开颅手术。侵入式的脑机接口则是将电极直接插入到我们大脑的皮层深处，相对来说获取的信息不论是空间分辨率还是信噪比都很好，但其创伤也是最大的。这三种脑机接口技术都有其实际应用的范围。
陈亮教授继续对运动瘫痪研究的进展解析。近些年也有一个非常成功的案例：加州理工学院天桥脑科学研究院脑机接口中心主任Richard Anderson教授通过在顶上小叶放置的电极解析脑内的运动信号，帮助猴子更加流畅地完成了骑自行车及行走等动作。不过目前应用到人类还需要进一步的研究。
与此同时陈亮教授也分享了语音合成方面近些年来的突破。人类有多重疾病会导致无法发出声音，因此通过合成语音帮助瘫痪患者进行交流，是一个十分重要的研究领域。2019年，由Edward Chang教授领导的团队发明了一种皮层电极，可以通过采集大脑中的构音方式将语言转化为肌肉的运动，从而帮助瘫痪患者实现实时的语音沟通。目前他们团队最新的成果是每分钟发出15.2个单词，错误率为25.6%。如果霍金在世的时候可以利用这个系统和外界进行交流，相信可以留下更多的知识财富。
当然，这方面的探索者还有很多，来自斯坦福大学的研究团队，通过将电极放在手的运动区，然后利用想象来控制写字，实现了每分钟打90个字符的新进展，同时原始在线准确率达到了94%，通过离线的自动矫正可以实现99%的准确率。当然目前采用的是英文的小写字母，如果是拉丁文或者中文，实现“意念打字”还需要克服很多困难。
陈亮教授接着展示脑机接口在视力重建方面的探索，一项来自荷兰的研究团队在猕猴中进行了相关实验。研究人员通过有时间差的刺激，让猕猴真正产生了点线甚至字母的“脑内视觉感受”。简单来说，就是我们小时候玩的“手心写字”的游戏，如果我们直接把一个印着“心”的纸贴到手心，我们什么也感觉不到；但是如果说顺着笔画在手掌上写“心”字，即使我们没看到，我们也能在脑海里“看见”心的图像。
陈亮教授总结道，通过脑机接口重建大脑的感知和支配并非是一个特别的梦想，通过脑机接口让失语者畅所欲言，让截瘫者推开轮椅，让失明者重建阳光，这都是可能的。
演讲最后，陈亮教授抛出了一个新的问题：现有的技术手段和临床需求仍旧有一定的差距，是否有新的脑机接口技术来推动临床应用的进展？
Gerwin Schalk：脑机接口技术的革新
Gerwin Schalk博士表示技术进步带来临床革新。通过新的技术让我们可以更精准地获取脑内的信息，从而让更多的脑机接口技术可应用于临床。目前在脑机接口领域也涌现了诸多新的技术，可以帮助我们更好地获取脑内信息。
▷ Gerwin博士演讲
接着Gerwin Schalk博士为我们分享了3个新的脑机接口技术，它们分别是经颅聚焦超声（Transcranial Focused Ultrasound）、功能性超声成像技术（Functional Ultrasound Imaging）和The Stentrode。
第一种经颅聚焦超声，有点类似于临床上使用的超声波。它和目前临床上使用的传统的技术不同，它最大的特点是可以将刺激集中到大脑的局部特定区域，从而避免刺激大脑的广泛区域。这就可以帮助我们很好地探究大脑某一区域的大脑变化。
功能性超声成像技术则可以帮助我们看到大脑局部区域的变化。实际上我们在运动和控制身体的时候，大脑的不同区域相互协调发挥着不同的功能，明确不同的区域执行何种功能对于临床治疗来说有着非常重要的作用。举个例子，在我们移动手臂的过程中，大脑的不同区域会控制我们的手臂完成整个动作。在这个特定的例子中，通过这个新的技术就可以帮助我们判断大脑是在什么刺激下做出对应的反应，从而可以非常准确地发现大脑中哪些区域负责运动功能，哪些区域负责接受信息。了解清楚这些信息，就可以帮助我们更好地针对出现异常的大脑区域进行治疗。
最后则是The Stentrode。Stentrode是Synchron研发的一种微创脑机接口，和传统的脑机接口相比，Stentrode并不需要开颅，同时也不需要天线向外界传输信息——Stentrode通过颈部血管进入到大脑中，在到达目的地之后，可以迅速膨胀和固定，同时可以通过电极将信号传出体外。今年这项技术已经通过FDA的临床试验申请。
Gerwin Schalk博士说到这些新的脑机接口技术都在逐步进入到临床研究，帮助脑机接口实现更多的“功能”。同时他也向下一位嘉宾提出了自己的追问：新技术不断涌入到神经技术应用领域的时候，这些技术将会对行业带来怎样的影响？
陶虎：免开颅、极微创、高安全柔性脑机接口技术
针对Gerwin Schalk博士的问题，陶虎教授表示不断涌现的新技术正在不断扩充脑机接口的应用领域。人脑的计算速度是目前世界上任何一台超算都无法比拟的，发达的大脑也是人类和其他动物的主要区别。脑机接口的应用可以帮助人类大脑发挥自身的优势，通过脑机接口可以绕过人体的自身器官，让大脑直接和外界的世界或者装备进行交互。
▷ 陶虎教授演讲
说到目前脑机接口实际应用问题，陶虎教授表示有两个问题值得我们关注：第一个是如何尽可能地降低脑机接口对于大脑的损伤，同时获取高质量的脑内信息；第二个问题则是如何保证接口安全稳定地在大脑中工作。
第一个问题需要考虑到人们对于“无创”的认可和“有创”的抗拒。目前传统意义上的无创脑机接口技术存在技术上限，无法获取足够的信息来满足复杂的应用需求，这就需要我们找到创伤和脑内信息获取的平衡点。
陶虎教授也给出了未来对于“无创脑机接口”的新定义。在临床中，我们一般认为创口在0.5mm以下的是可以自愈的，比如医院抽血针头直径就在这一级别。虽然是通过有创的方式将接口送入到大脑中，但是因为其形成的创口很小并且可以自愈，因此可以认为是一种“无创”的操作方式。这就可以让技术比较容易为人们所接纳。今年马斯克通过柔性脑机接口训练猴子打游戏，这种侵入式的脑机接口可以完成相对复杂的任务。从科研角度看柔性电极、高带宽的通路可以让脑机接口更好地走进临床。
和硬质电极比起来，柔性电极的对大脑产生的创伤更低，可以随着大脑运动而运动，不产生相对位移；硬质电极会在运动的过程中产生微小位移从而在大脑局部形成损伤，这会导致神经疤痕形成，神经疤痕围绕电极会阻碍电信号的传导，从而使得硬质电极的使用寿命大幅度缩短。目前，国内外很多课题组和公司都在研制各自的柔性电极，大体思路和技术路线都比较相似，但是电极的可靠制备、生物安全性、植入易用性、在体稳定性等等各家都有自己的绝活。
另外，随着电子信息技术的发展，我们可以通过集成电路的设计达到微型化的目的，这也使得脑机接口在创伤更小的情况下实现更多信息的高速传输。目前，神经电极、信号采集和处理芯片、编解码算法等是攻关重点。陶虎教授的团队在神经电极方面，特别是基于生物材料的超柔性电极的制备和植入方法方面有一些比较好的进展。但在神经芯片方面，还有待大幅改进，例如他们目前也是使用进口的芯片进行原型机的开发。但还是存在不少挑战，一方面目前市面上可以购买到的芯片性能远远不能达到要求，另一方面后续自主可控的芯片技术是必须要解决的问题，也是其团队目前攻关的一个重点。
陶虎教授表示在解决了无创和长期工作的问题之后，脑机接口的应用范围将会大幅度增加，使得脑机接口成为正常人可以使用的消费级别的技术。未来脑机接口除了可以用于包括失聪、失明以及精神疾病等患者治疗外，还可以用于增强人们的能力，挖掘更多大脑的潜能。
追问圆桌
▷ 嘉宾回答现场观众提问
问题：
因为我的家族有比较多的帕金森病案例，所以我长期关注帕金森病的相关研究。大概在四五年前其实已经有将电极接入大脑里面的案例了，但是这个东西是非常危险的。就帕金森病来说，现在脑机接口这个技术是否已经取得了一些突破？
毛颖教授
你讲的实际上就是我们称为深部脑刺激的技术——DBS，它现在发展到什么程度了。陈亮教授是做功能神经外科的，大概能够回答这个问题。
陈亮教授
深部脑刺激实际上一直在进步。最传统的就是一个电极，在一个特定的部位进行刺激，来改善患者的症状。它的开关效应非常明显，打开以后患者的症状可以得到明显的改善。但是还有一些它无法改善的症状，主要包括构音的障碍和一些情绪问题。目前的进步主要在于：首先靶点的刺激可能是多靶点；然后靶点之间是可以进行调控的；还有在刺激的时候可以采取刺激点的自然信号，再进行编程，能够使刺激更加贴合个性化。
这些都是最近几年刚刚出来的技术，目前还没有完全被政府批准。现在还只是做一些临床研究，并没有在临床上规模性地使用。
▷ 现场嘉宾回答观众追问
问题：
但有些病人并不适用DBS。另外，关于合成语音的问题。我读深度学习的书的时候，说合成语音已经做的比较好了，我做AI的朋友也跟我说已经能够用AI跟人聊天，让人开心或得到安慰。这是我从书中或朋友那里听说的信息。但是，我自己也接触了很多AI的案例，除了腾讯英语的音频听起来还是可以的，相对人性化些，除此之外，在现实的案例中，恕我孤陋寡闻，我在语音的AI里没有看到特别成功的例子。所以我不知道在实践中这项技术究竟到了什么程度？
毛颖教授
DBS是通过刺激使得一个环路起作用。目前我们在医院里面做的，就是假设现在的核团是有效的，而且我们也一直在做相关的研究。但实际上我们现在发现还有其他的核团，比如说丘脑底核，它的调控对症状的改善可能更有作用。当然，我们现在所做的事情实际上只是调控，就是说我们只能改善其中的一部分症状。但是在帕金森病的过程当中，它可能还伴有认知功能的问题，这不是DBS所能解决的事情。
所以目前来说，DBS实际上在帕金森病的治疗当中，是解决了一部分问题，并不是解决所有的问题。将来还有更多的药物，像我们的教授们正在开发各种各样的新方法，包括内科的治疗方法，实际上也是在往前推进帕金森病的治疗。
关于你提到的构音问题，实际上是另外一个问题。因为在语言发生的过程中，或者在想语言的时候，大脑中会有一些脑电信号的变化，今天我们所讲的是，希望用算法把脑电变化的含义解析出来，以达到将来我们只要看到这个信号，就能知道他想说什么话的目的。而您刚刚说的 AI合成语音，这是一种语音的模仿和模拟，实际上是工程学方面的问题。我个人认为，理解大脑想说什么可能是更要紧的。
问题：
关于有创和无创脑机接口，谁会是解决临床、消费等层面的最终解决之道？
陶虎教授
有创、无创现在大家定义的还是比较明确，但是我想说两个观点。在未来发展上，我相信是两个技术一起发展。有创脑机接口的话，希望往更无创的方式去发展，我这里指的是手术伤害。无创脑机接口的话，希望是能够通过更多的声、光、电、磁的发展，它的性能能够更高。
我个人的感受是，从临床上来讲，对于一些重大的神经疾病的治疗，可能有创脑机接口在某些程度上做到的事情会更多。而且在很多情况下，病人本身需要开颅治疗，那么有创造脑机接口在开颅过程作为一个辅助装置进去的话，是一个方式。
如果5~10年以后，我们想做一个消费级别的脑机接口产品的话，我相信要么是现在的无创脑机接口它的性能变得更好，要么就是现在所说的有创的脑机接口它的创伤近似于无创，类似于做针灸，要做到那样的可接受的创口的话，我相信我们说的有创脑机技术可以发挥更大的作用。从技术上来说，有创脑机接口技术能做到的事情的天花板要高很多，这是我简单的一个解答。
Gerwin Schalk
我完全同意陶虎教授的观点。我认为非侵入式技术对大众来说可能会更有应用前景，而侵入式技术则更多适合应用于病人。我也同意我们应该同时开发这两种技术。可以对比一下不同类型的汽车。有一款汽车用于日常道路，而另一款汽车则用于比赛。两种汽车类型不同，但赛车并不比普通日常车好。它们非常不同，适用于不同的场景，并没有成败一说。所以说脑机接口的两种技术都会有对病人有用的地方，或是对普通人有用的地方。我们的工作是开发那些真正有用的技术，而不是让两种各有用处的技术相互竞争。无论是需要治病的病人，还是普通人，都可以使用新技术为己所用。
问题：
是不是有可能实现一群神经元特异性的刺激和数据记录？另一方面说，是否有必要去努力实现神经元群特异的刺激和数据记录？也许核团刺激已经足够。
Gerwin Schalk
如果我没理解错，你是想问神经元刺激的特异性程度问题。我认为有一点是很清楚的，我们必须刺激大脑中的某些特定区域，例如我提到的tDCs (经颅直流电刺激)或TMS（经颅磁刺激技术）是不准确的。对于某些类型的疾病，我们需要非常具体地知道需要治疗的大脑区域。为此，我们需要技术来对大脑的某些区域进行特异性刺激，或者非常有针对性地测量大脑某些区域的活动。
说了这么多，还需要说明的是，大约30年来，人们一直认为有必要从单个神经元读取信息，无论是通过单个电极，还是通过一些设备或其他技术，如陶虎博士所介绍，这些设备和技术可以用来测量单个神经元活动。
我们现在明白这是没有必要的。我们不需要能够记录单个神经元的活动。我们确实需要测量神经元群的活动，可能在电极周围2毫米的区域内测量多个神经元的活动。这可能是许多神经元，不一定是一个。这是重大的科学突破。因为就像我说的那样，20年前人们普遍认为我们需要记录单个神经元的活动。但事实上需要一个折中，我们的测量方法要精确，但并不一定要记录单个神经元的活动。
▷ 现场观众提问
毛颖教授
实际上记录多少个神经元，是基于不同的理论依据。如果我们认为一个活动，是整个大脑引起的一个整体的变化，比如说我们现在正在研究的意识，它实际上是，如果一个点上面发生变化，整个大脑就会发生同一频率的震荡。在这种情况下，如果是记录每个神经元的变化，可能出来的结果是差不多的。但有的活动是一个精细的动作，可能需要有足够多的电极非常明确地记录不同神经元的活动。实际上这些研究都处于初始阶段，这是我个人的理解。
问题：
如何看待脑机接口的伦理学问题，这是一个很关键的点。
陈亮教授
伦理问题确实是脑机接口领域非常关注的问题。伦理的第一原则是无损原则，也就是说我们不能对患者造成额外的损伤，所以目前脑机接口的很多病人一个是来自癫痫患者。因为癫痫患者本身就要在大脑中植入电极，然后探测癫痫的起源。那么在寻找癫痫起源的过程中，这些数据就可以为我们所用，所以才会有这么多的成果出来。
第二个是来自目前没有有效治疗手段的患者，最主要的就是四肢瘫痪的患者。国外的研究人员像Richard Andersen，主要研究对象就是这一类患者。还有的话，像Edward Chang做的语音合成，对于一些肌萎缩侧索硬化症患者，或者说对于一些构音功能障碍的患者，那么有潜在的益处的情况下，也是可以在伦理允许的范围之内开展临床研究的。
▷ 会议现场
下期预告
“精神卫生被称为脑疾病最后一座堡垒，在脑科学基础研究突破尚需时日之际，我们能做什么？”
在TCCI专题论坛的第二场“人工智能和精神健康专题”中，针对上海市精神卫生中心院长，TCCI人工智能与精神健康实验室负责人徐一峰教授的开场问题，上海市精神卫生中心副院长、TCCI研究员李春波教授，浙江大学心理与行为科学系特聘研究员陈骥，上海交通大学心理与行为科学研究院副研究员、TCCI研究员张洳源，以及世纪华通总裁、盛趣游戏CEO谢斐为我们做了精彩报告和分享。我们将于明天继续发布完整回顾内容，敬请期待！
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