从辅助运动到让人开口说话，脑机接口：“你的福气还在后头!”
众所周知，早期脑机接口(BCI)的开发专注于帮助瘫痪病人恢复一定的运动能力，后来，人们在算法，材料，结构上不断改进，希望实现脑机之间的精确交互。目前基于脑机交互的原理，BCI技术在恢复感觉能力甚至治疗精神疾病方面都有了用武之地。最近，研究人员甚至实现了利用BCI技术让瘫痪病人开口说话，去年7月，在《新英格兰医学杂志》上报道了一项来自加州大学旧金山分校的(UCSF)研究团队的BCI技术，一种神经植入物帮助一名瘫痪男子说出了18年来可被人类认知理解的第一句话：“我的家人在外面。”这一成就不仅突显了BCI工程的最新进展，还给了我们大胆想象该技术能为人类带来福祉的空间。
BCI在辅助人类感知行为中的适应性增强离不开电子技术、材料科学和人工智能(AI)的进步，正是这些技术使设备更智能、更小、更无创，因此与人体更相容。BCI技术最基本的功能是允许人类大脑和外部设备之间的交互，其中系统装置有侵入性和非侵入性两种，侵入性即外科医生将BCI系统直接植入大脑内部或皮层，这种装置通常由几十个微小的金属电极组成，以功能神经元为目标，既可以记录它们的活动，又能刺激它们产生特定活动。侵入性装置最明显的好处就是可以直接接触到大脑的电信号，信噪比高，但也带来所有侵入性手术存在的健康风险，而且破坏了神经元结构的完整性，有研究人员在BCI系统植入中发现，大脑不喜欢外来物质，所以神经胶质细胞会生长在皮质内电极上，这使电极失去记录或刺激功能。非侵入性BCI系统通常依靠放置在头皮的传感器来同时检测多达数百万神经元的脑电活动。它最直接的优点就是不需要手术，但与此同时，记录到信号的信噪比会降低。两种装置的区别这就像听两个人在说什么时是站在旁边还是隔了一堵墙。
在2005年首次报道的工作中，来自多个美国学术机构的科学家团队依靠几十年的动物研究，为一位名四肢瘫痪患者植入了第一个控制人工手的BCI，从而依靠一系列稳步的改进实现了假肢完全三维控制和抓取的能力，并提供触觉反馈。
图源：麻省理工学院；一种柔软、有弹性、重量轻的机械手系统，同时提供肌电控制和触觉反馈，比传统的神经义肢使截肢者有更强的控制能力
随着认知科学的发展，BCI除了改善假肢功能，已被广泛用于治疗各种精神和神经障碍。1997年，美国食品和药品管理局(FDA)批准了第一个深部脑刺激(DBS)设备，植入锁骨下的设备控制由一个长电极与多个电接触点组成的系统，用于治疗特发性震颤，2002年批准用于治疗帕金森，现在DBS已经成为治疗帕金森病和原发性震颤的有效手段，可以使病人在运动表现上平均提高60%，这在许多情况下往往决定了病人是否能回到正常的工作场合。但阻碍这项技术推广于临床的最大困难就是大多数病人无法接受它的侵入性，当病人得知DBS需要在他们锁骨下植入设备时，“我将首先尝试其他所有方式”，一位帕金森病人说道。而就在去年，UCSF团队开发出了一种新型DBS设备，并且成功治疗了一名自同年以来就患有难治性重度抑郁症的36岁女性。相比传统DBS技术，该项技术最大的优点能够探测到与女性抑郁症状相关的特定大脑活动模式，并将电脉冲精准传送功能大脑回路，这得益于认知科学和AI算法的发展。
图源：维基共享；DBS电极(白色)被手术植入到大脑两个半球的丘脑下核(橙色)。这些大脑区域在促进和抑制某个运动意图方面发挥主要作用
BCI研究的另一个焦点是通过打字、手写或合成语音的方式帮助失去说话能力的人更好地交流，2017年， 由塔夫茨大学的研究人员和其他几个美国大学组成的名为“BrainGate”团队开发出一套允许三个瘫痪病人通过控制自己的思维使用屏幕上的光标选择字母的BCI系统，其中最快的达到了一分钟打8个单词。2021年5月，该团队实现了令瘫痪病人以每分钟86个字符的速度生成英语句子。两个月后，UCSF团队实现了用BCI技术令瘫痪病人“开口说话”，当病人表现出说话意图时，自定义神经网络模型识别出他大脑活动模式微妙的变化，来检测说话意图，随后识别他试图说的单词。这个训练帮助系统创建了一个语言模型，当病人试图说某个特定的单词时，系统会检测到特定大脑模式并做出反应。该系统解码单词的平均速度为每分钟15个单词，正确率为74%。团队表示，虽然目前的词汇量非常有限，但这对于BCI实现语言功能是一个开创性的成果，他们也有十分的信心去花更多的时间和精力让系统变得更好。该团队希望他们的工作有一天能恢复每年因中风、疾病或受伤而失去说话能力的数千人的沟通能力。
图源：BrainGate.org；BrainGate研究合作开发的BCI由100个微小的金属电极组成(大小约为一枚10美分硬币)，用来记录来自大脑运动皮层和书写有关的部分信号，并将这些信号处理后在计算机上实时生成相应的文本
图源：UCSF/Noah Berger；由256个电极组合成6 cm × 6 cm大小的记录皮质电活动的植入物，置于大脑表面而不穿透组织，用于解析外科手术治疗中癫痫病人的发病源
UCSF团队还受到FaceBook的基金支持，但他们近期将目光转向了无创腕式设备技术，试图实现开发一个使普通人能够每分钟输入100个单词的神经接口系统。
关于BCI应用技术前沿，不得不提到由特斯拉CEO伊隆·马斯克于2016年创立的Neuralink公司。和Facebook将目标定位普通消费者不同，Neuralink仍继续将重点放在最初的为患者设计设备上。该公司最新推出一个由1024个丝状可弯曲电极组成的无线、硬币大小的神经接口，这些电极可以穿透大脑皮层，记录和操纵神经活动。虽然还在进行人体测试，但该设备已经可以让猴子玩简单的类似“突出重围”的视频游戏。专家学这们认为，Neuralink最大的优势在于公司雄厚的金钱和人力资源支持，尽管迄今为止它所展现的技术并没有明显优势，但日后它很有可能处于BCI应用技术的领先地位。尤其在通过无线被动记录技术进行预测工作方面，Neuralink做了一个非常好的开端。但要扩大BCI技术的应用主体，市场因素可能将会发挥最很关键的作用，这就不得不考虑监管批准、市场容错、供应链和价格等因素。有分析师预测，到2030年，全球BCI市场价值将达到55亿美元，从世界范围各大高校及公司研究单位广泛投入到脑科学研究中，到Neuroink 、Facebook等大公司致力于开发适合广泛应用于患者和普通消费者的BCI设备，BCI技术的应用前景是无可限量的。领导UCSF团队的博士后研究员大卫·摩西说，在过去的十年里，这一领域有了很大的发展，其中一个最明显的迹象是，行业参与度迅速上升。
来源：
Palmer C . Brain–computer interface speaks up - ScienceDirect[J]. 2021.
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