阿凡达式的意念操控，我们到哪一步了？
前不久，SpaceX公司成功将4位非宇航员送入太空，使得普通人实现太空探索成为可能，引起热议。
硅谷狂人埃隆·马斯克几乎是科技落地的先驱者，带来行业的一次次突破。而少为人知的是马斯克于2016年7月成立的Neuralink公司，这家公司的研究核心便是脑机接口。
脑机接口，这一人类“改造”的蓝图之窗，目前的发展状况究竟如何，又有哪些前沿进展，阿凡达式的意念操控真的会成为现实吗？在前不久结束的《TCCI应用神经技术、人工智能与精神健康专题论坛》中，陈亮教授从脑机接口的类型，以及运动、语音、视觉三个方向进行了阐述和展望，请看下文……
大家好，今天很荣幸能带大家一起简单地回顾一下最近几年脑机接口在临床上做了哪些探索性的应用。可以说，目前已有多个脑机接口项目处于临床研究的阶段，主要包括辅助运动、语言的合成、视力的重建甚至情感的补偿等等。
我们知道脑机接口非常关键的就在于它的接口质量怎么样，因为这决定了我们得到的信号质量如何。
目前来说，脑机接口的类型主要分以下三类：
第一类是头皮脑电，采样来自头皮，其优势是没有创伤性，但是它的信号空间分辨率和信噪比对于医学应用来说还是非常困难的。
第二类是大脑皮层表面脑电，是把电极贴在大脑表面获取信号，它的信噪比非常高，此外电极越小的话，采到的信号峰度越高，但这个是需要进行开颅手术的。
第三类就是插入式脑电，把电极插入大脑皮层甚至深部，它可以获得更高的空间分辨率和信噪比，甚至可以获得单细胞放电，是目前脑机接口主要的应用方法，当然它造成的创伤也是最大的。
插入式脑电具代表性的产品就是犹他电极。犹他电极非常小，边径大概4mm，100个电极插入大脑皮层可以获得大脑皮层的单细胞放电。
接下来我们来聊聊脑机接口的一些临床研究：
01 辅助运动
脑机接口在机械臂上的应用，非常成功的是来自加州理工学院天桥脑科学研究院脑机接口中心主任的Richard Andersen教授。
他的贡献就在于把犹他电极放到顶上小叶。我们知道，运动的控制是分级的，初级运动中枢控制着每一块肌肉的运动，但我们在设计运动以及大脑作出反应的时候在乎的只是目标是什么，运动轨迹是什么，而这个信息就来自顶上小叶。
所以说解码顶上小叶就可以获得更加流畅的机械臂运动及其控制，使得瘫痪数年的患者实现了喝水这样的行为，这是在2015年的时候。
之后他也做过一些感觉的反馈。当机械臂运动的时候，我们需要从顶上小叶获得一些信息，包括听觉、视觉，还有一个关键感觉就是触觉。
获得触觉反馈的好处就是机械臂在触摸到物体的瞬间就可以抓住物体，而移动物体的时候也不至于将物体坠落。
接下来，这是匹兹堡大学的一项研究，把一个电极专门放到了1区，而1区是和皮肤的感觉密切相关的。机械臂传感器接触到物体以后，会触发大脑皮层内的这个电极产生一种放电，而这种微小的电流会造成感觉的改变，以此来迅速地触发机械臂的运动。
这种双向交互脑机接口机械臂，将机械臂抓取和转移物体所耗费的时间缩短了一半。机械臂在完成同样一个运动，即把一个杯子抓起来然后放到另一个地方，时间从平均20.9s缩短到10.2s。
除了上肢以外，下肢也是很重要的，虽然下肢的运动比较简单，但是它是在承重和保持平衡的基础上来完成一些任务的。
那么来自瑞士的一个研究，以猴子为实验对象，在胸段做了一个半切，将一块犹他电极放置于下肢的大脑皮层运动区，另外在脊髓的腰段对脊髓的背根神经进行刺激，背根神经在脊髓内通过环路诱发屈肌和伸肌的一个轮替性运动，从而可以完成踩自行车和行走等动作。
由于这个研究的实验对象是猴，而猴骑车的时候，实际上它是在实验室里或者说是在一个静止的自行车上；此外它是四足行走，即使有一只脚不太灵活也是能够完成那些动作的，所以说，虽然表面上它可以完成骑自行车、行走这样的动作，但最终应用到人身上可能还需要一些时间。
02 语音合成&书写文字
语音合成方面，我们知道有一种病叫肌萎缩性侧索硬化，这类患者会进行性地出现四肢麻痹和构音障碍，所谓构音障碍就是患者他很难发出一个音，每发一个音都非常的困难，即使是伟大的科学家也同样会遭受这种疾病的困扰。
来自UCSF（加州大学旧金山分校）的Edward Chang教授在这方面作出了重大贡献，从2019年开始每一年都有非常重要的进展。
他所采用的是一种皮层电极，即把电极放到大脑运动、语言等一个非常广泛的表面，主要是为了研究大脑的构音是怎样的，也就是说，在语言希望表达到转化为肌肉运动的这个过程中，大脑皮层是如何响应的，以此来合成语音。
其2021年在《新英格兰杂志》发表的最新研究成果显示，在50个词的词库中，在线合成语音的速度是每分钟15.2个单词，错误率为25.6%。
如果说当年霍金可以用这样的一个东西与外界交流的话，一定可以留下更多的知识财富。
而应用于书写文字，看上去就更加困难。来自斯坦福大学的Francis R. Willett博士，他把两个电极放到大脑的手运动区，让瘫痪患者想象右手运动书写字母。
在线解码速度可达每分钟90个字符，原始正确率为94%，通过一些简单的联想、拼音之类的进行一个自动校正，校正后准确率可达99%以上，具有很好的应用前景。
当然，从上图可以看出，Francis R. Willett博士采用的是英文的小写字母，他自己也在文中说如果采用拉丁字母或者是其他字母可能就会非常困难，因为小写的英文字母，其每一个字母之间的差异相对来说是比较大的。
03视力重建
对于视力的重建，目前主要有两种思路，一种思路是在大脑皮层表面进行一个序贯的刺激，来自美国贝勒医学院的Daniel Yoshor 教授带领的团队，他们用比较大的电极在大脑视觉皮层刺激，刺激的时候会产生闪光点。
虽然这些闪光点具有一定的位置属性，但是如果几个点同时进行刺激的话，并不会形成一个图形，只会形成更大更模糊的闪光。
那么怎样才能把这个闪光变成有效的信息，他们采用的方法就是序贯刺激，也就是在不同位置进行刺激，比如说由上往下，然后再拐一个弯，那么就可以形成不同的字体，就像我们看电影一样，它并不是同一个时间进行刺激但最后可以合成一幅图像。
而来自荷兰的科学家，他们采用的思路是同步刺激，认为同步刺激可以在单位时间内传递更多的信息。由于电极放到皮层内，可以降低两个数量级的刺激的能量，那么同步刺激后，猕猴真正产生了点、线甚至字母的幻觉。
他们用16个犹他电极，其中14个放到初级视觉皮层，2个放到V4区，并选择1024导信号的记录。从下图我们可以看到，如果猕猴看到是“T”，它就会向上看，因为向上有个T的字母；如果是“L”，它就会向下看，以此表达它确实看到这样的一个字母。
最后，我想说我们重建大脑的感知与支配，应该不是一个特别的梦想，未来希望可以通过脑机接口技术使失语者畅所欲言，截瘫者能够推开轮椅站起来，失明者重见光明。
编辑｜梁蓝
版面｜郑思琪
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