科幻電影中腦機介面的想象力正在栩栩如生。
10多年前，《阿凡達》中展示了乙個場景，乙個進入睡眠艙的人類戰士可以通過計算機技術讀取意識，將其轉移到複製人的身體中，並利用後者進行行動。 很多人都看到了腦機介面的魅力。 如今，人腦與機腦的“感應對話”技術已經來到了人們面前。
日前，中國科研團隊宣布全球首例無線微創腦機介面臨床試驗成功：清華大學醫學院洪波教授團隊設計研發了無線微創植入式腦機介面近地天體技術; 首都醫科大學宣武醫院院長趙國光、主任醫師單永志於2023年10月24日與清華大學合作開展首例臨床植入試驗。 術後，對一名四肢癱瘓14年的患者進行家用腦機介面**訓練，實現自主飲水等腦控動作。
腦機介面通過記錄和解釋大腦訊號，實現大腦和計算機之間的直接通訊。 “要實現真正的'讀心術'，還有很長的路要走。假設這是一本 100 頁的未知數，而我們現在才剛剛翻開第一頁。 洪波說。
圖為宣武醫院院長趙國光團隊進行首次植入手術。 （*來自清華大學醫學院）。
與馬斯克不同的腦機介面方案。
1月29日，特斯拉公司首席執行官、SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）宣布，腦機介面“成功執行”，這也引起了國內外的關注。
馬斯克在社交平台上寫道：“昨天（1月28日），第一位人類患者接受了'神經連線'公司的植入手術，目前恢復良好。 初步結果表明，神經元尖峰檢測是有希望的。 馬斯克將第一款產品命名為“心靈感應”，當大腦植入乙個裝置時，它可以僅用大腦控制手機和電腦等“幾乎所有裝置”。 “想象一下，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的溝通速度可能比打字員或拍賣師還要快。 這就是我們的目標。 馬斯克說。
馬斯克團隊是乙個非常受人尊敬的團隊。 兩個團隊開發腦機介面的技術路線不同。 洪波說。
據他介紹，清華團隊採用的無線微創植入式腦機介面近地天體技術，是將電極放置在大腦硬膜外，不會損傷神經組織，通過內外機的耦合完成訊號的輸入和輸出。 馬斯克的團隊使用完全侵入性的腦機介面。
大腦的訊號從內到外可分為三個層次：神經細胞放電、顱內腦電圖和借用腦電帽收集的頭皮外腦電波。 洪波打了個比方：假設乙個房間裡坐著10個人，每個人代表乙個神經細胞，接收神經細胞的資訊可以通過乙個“麥克風”獲得，馬斯克團隊的產品相當於在大家面前放乙個麥克風，“收音機”效果不錯，但存在“占地面積大、能耗高”等問題; 在借用腦電圖帽收集的頭皮腦電波方案中，麥克風放置在門外，因此接收到的訊號會非常模糊，並受到大量噪音的干擾。
我們的解決方案是將電極放置在腦膜外，介於兩者之間，這相當於在門上放置麥克風以獲取資訊。 洪波說。
在宣武醫院，趙國光院長向中國青年報、中國青年網記者展示了市場上幾大腦機介面產品。 其中，“頭皮腦電圖”是一種非植入式腦機介面，具有無創的臨床優勢，但靈敏度和解剖空間定位較弱。 “顱內皮質電極”是放置在顱骨下大腦表面的電極，常用於癲癇患者的大腦皮層; “猶他電極陣列”將電極插入大腦深處，主要用於語言和運動損傷，但缺點是患者需要長時間在醫院訓練，短時間內無法回到家人身邊。
與市面上的主要解決方案相比，趙國光表示，目前團隊使用的無線微創植入式腦機介面neo，不僅滿足了植入的技術敏感性，而且不會對腦組織造成損傷，而且可以長時間放置，採集訊號的幅值、頻寬和頻率都能滿足目前的臨床需求。
在手術台上，醫生只需要進行“在顱骨中插入電極”等微創手術，人腦與電腦“對話”的基本裝置即可完成。
洪波做了乙個生動的比喻：如果把大腦比作乙個煮熟的雞蛋，剝開蛋殼後，有一層白色的保護膜，相當於大腦的硬腦膜，可以保護大腦環境不受外界干擾，保護細胞不受損傷。 電極放置在硬腦膜上，329 個零件放置在硬幣大小的鈦外殼中。 將兩個硬幣大小的腦機介面植入高度截癱患者的顱骨中，以收集感覺運動大腦區域的神經訊號並解碼手抓動作。
半侵入性溶液置於腦洞外，對腦細胞無損傷，無感染、免疫排斥等風險。 洪波介紹，相比之下，馬斯克團隊使用的全侵入式腦機介面，在連線到大腦皮層後，每次使用都需要連線到資料插頭進行消毒操作。 為了避免感染風險，此類臨床試驗目前要求將患者永久安置在醫院**並進行觀察。
從技術上講，不同的路徑可以達到腦機介面的目標，但應用場景和優缺點不同，沒有高低之分。 洪波說。
圖為清華大學醫學院的無線微創植入式腦機介面neo系統及其體內（合成**）。
一名 14 歲的癱瘓患者，已經實現了自飲水。
我們不是在挑戰普通的疾病，而是在挑戰人類目前無法解決的一些疾病。 趙國光說，要想在人身上安裝腦機介面，難點在於能夠收集訊號，讓訊號“解碼”語言、動作、意識。 “這是不可能的挑戰，”他說。 ”
從某種程度上說，54歲的四肢癱瘓患者老楊是第乙個“成功吃螃蟹”的人。
14年來，老楊因一場車禍癱瘓，導致他失去了運動能力，雙手完全癱瘓。
專家們對老楊的**和診斷進行了評估，在徵得家屬和老楊的同意後，啟動了“腦機對話”的新技術。 在新技術的支援下，楊希望恢復右手的能力，完成喝水、吃飯甚至寫字等動作。 趙國光表示，患者恢復健康的強烈願望支撐著患者最好的培訓，也促進了醫療團隊的臨床試驗。
給老楊的手戴上了充氣手套，從大腦右側感覺運動區的電極得知，老楊想動一下右手。 電腦“讀懂”了老楊的心思後，解碼完成，指令傳達到氣動手套上，輔助老楊協調彎曲右手手指，抓起礦泉水瓶。 該解碼演算法使用可解釋的機器學習技術，並由洪波的團隊完成。
在這場“無聲”的腦機對話中，老楊的頭骨被嵌入了一台內部機器，電極覆蓋在硬膜外麻醉上。 外部計算機通過頭皮為內部計算機供電，並接收大腦中的神經訊號，將其傳輸到計算機或手機，並借助解碼演算法實現腦機介面通訊。
在實踐中，洪波和趙國光團隊首先利用功能磁共振成像技術完成了運動感覺腦區的定位，在右手想要運動時準確捕捉到大腦啟用區的訊號，然後根據捕捉到的位置精確設計電極植入的接觸點。 一般情況下，人腦的“總部”可以直接調動身體的“公司”，但對於脊髓損傷患者來說，“中間的路被堵住了，'總部'喊著口號，就要用技術打通堵路，接通訊號”。
趙國光解釋說，從動物實驗到臨床實踐，都需要保證系統能夠採集訊號，並且訊號“美觀、靈敏、無干擾”，這樣才能高效地接收和傳達人腦的指令。
據洪波介紹，為了保證“腦機對話”的私隱性，團隊在電源管理中設定了認證晶元，必須與體內體外機配對，才能啟動人體的訊號採集系統，保護患者的私隱和安全。 顱骨植入機不需要電池，患者可以終身使用，手術10天後即可出院回家。
在這種“腦機對話”中，計算機可以做即時感應。 洪波解釋說，經過測試，需要250毫秒或更短的時間，計算機會快速“讀懂”患者的想法，並確定是抓住、握住還是鬆開，以達到準確的解釋。 在與計算機“對話”時，人腦不需要依靠強大的思想或重複的思想來傳達資訊。
如今，獨立喝橙汁和茶，對老楊來說已經是一件非常容易的事情了。 洪說，14年來，患者無法自己喝水和吃飯，“這對他來說是乙個質的變化。
經過3個月的家庭腦機介面**訓練，老楊可以通過腦電活動驅動氣動手套，抓取和解碼準確率達90%以上。
洪波帶領團隊進行了為期3年的動物實驗。 將電機和內機安裝在豬身上後，經過1000多天的測試，驗證了儀器不會對豬腦膜下方的神經組織造成損傷，並且還可以穩定地收集豬腦中傳遞的神經訊號。 直到2023年5月，無線微創腦機介面的臨床試驗在上海市藥品監督管理局備案，並通過了宣武醫院的倫理審查，他們才開始了人體的小規模臨床試驗。
在宣武醫院中國國際神經科學研究所類腦智慧型臨床轉化研究中心，設立了脊髓損傷患者評估區、日常訓練區、腦機介面訓練區。 宣武醫院副教授王長明表示，患者完成考核後，應在研究中心接受全模組培訓，甚至回到家人身邊後，醫療團隊也會定期跟進，進一步提公升患者。
2023年12月19日，第二例脊髓損傷患者在北京天壇醫院王佳教授團隊的手術下成功植入，訊號接收正常。 36歲的脊柱損傷患者，在“腦機對話”中，可以利用自己的“意念”驅動電腦游標的移動，實現紅球擊打螢幕上藍球的動作，進行人機“心靈感應”。
要完成這樣的技術突破，不可能在10年內完成。 洪波提到，這項技術不著急，也不著急。 “因為它不是遊戲產品，也不是資訊產品，而是植入式醫療裝置，患者安全是第一位的。 他說。
圖為燕山大學學生在腦機介面腦控機械人競賽區演示“腦機融合智慧型輔助機械手系統”搶飲用水瓶。 （*摘自中新社）
翻到腦機介面的第一頁。
2005年，雷·庫茲韋爾在《奇點正在逼近》一書中寫道，隨著奈米技術和生物技術的幾何加速，人類的智力將在未來20年內得到極大的提公升，人類的未來將得到根本性的重塑。 這位腦洞大開的天才提出了“奇點”的概念，認為未來的技術變革將撕裂人類歷史的結構，克服生物進化的極限。
將人類帶入數字永生是乙個大膽而瘋狂的夢想，技術探索從未停止。
2020年，浙江大學與浙江大學醫學院附屬第二醫院神經外科合作，完成國內首例植入式腦機介面臨床研究。 患者利用大腦運動皮層的訊號，精確控制外部機械臂和機械手在三維空間中的運動，實現握手、拿飲料、打麻將等動作。
2023年，南開大學團隊將率先在猴腦中實現介入式腦機介面腦控機械臂，為未來腦卒中、肌萎縮側索硬化症、抑鬱症等疾病的診療提供新的方向。
2023年8月，工信部等四部門印發《新行業標準化試點實施方案（2023-2035年）》，其中提到要開展腦機介面標準化路線圖研究。 加快制定腦機介面術語、參考架構等基本通用標準。 開展腦資訊讀寫、資料格式、傳輸、儲存、表示和預處理標準、腦資訊編解碼演算法標準等輸入輸出介面標準研究。 對製造、醫療健康、教育、娛樂等行業應用和安全倫理標準進行前期研究。
腦機介面的時代即將到來。
不可思議的目標將給科學家帶來永無止境的動力。 洪波認為，要理解人腦的工作機制，實現人腦與機腦之間的高頻寬對話，還有很多工作要做。
腦機介面的高通量和發熱是需要克服的主要技術障礙。 洪波解釋說，目前我們的微創腦機介面只能實現簡單的手部動作。 然而，為了在未來獲得更多關於高階認知活動的資訊，通道的數量將不可避免地增加，因此克服熱量問題並處理安全性與穩定性之間的平衡對工程師來說是乙個挑戰。
老楊右手能拿水瓶》給趙國光帶來了乙個新思路，如果用中文“解碼”老楊右手的動作，可以解釋為“抓”、“握”、“握”、“捏”、“握”等，而英文解碼只能解釋為“握”。他希望在未來的探索中，新技術能夠更準確地適應中國語境，更快地識別和輸出患者大腦中的指令。
中國資訊通訊研究院和腦機介面產業聯盟近日發布的《腦機連線發展與應用研究報告（2023）》指出，目前腦機連線的主要應用方向在醫療領域，該技術可以為癲癇等神經系統疾病的診斷和治療帶來新的解決方案。 帕金森氏症、抑鬱症、多動症、截癱和中風。
未來，為了突破人類診療某些疾病的極限，腦機介面也將面臨大規模臨床試驗等挑戰。
下一步，我們希望幫助患者利用大腦訊號來引導家中智慧型裝置的開關，如手機、輪椅、電動窗簾等裝置，從而為人與物的連線提供更多可能。 洪波說。
龍年春節前，洪波幫二位患者看平板裡的書軟體。 他有乙個期待：他希望幫助患者實現春節後翻閱電子書的願望。
腦機介面的階段性突破不是結束，而是新的開始。 洪波說。 （完） （原標題：腦機介面時代即將到來）。
作者：楊潔，尹希寧.
*：中國青年報。