作者:蒋捷 杨茜茹 来源:科技日报 发布时间:2024/2/29 8:41:00
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脑机接口将为人类带来什么

 

怎样才能突破身体的限制,用意识与万物相连?在《西游记》中,孙悟空拥有凭借意念隔空取物的超能力。如今,脑机接口技术可以建立大脑与外部设备的直接通信,帮助人类实现从“手到擒来”到“心想物来”。

近日,美国企业家埃隆·马斯克宣布,他的脑机接口公司完成了向人体移植脑机接口设备的工作,意在帮助瘫痪患者用意念控制电脑。几乎同时,清华大学医学院团队和首都医科大学宣武医院团队联合宣布,他们已经成功完成全球首例无线微创脑机接口临床试验。这项临床试验让一位因车祸造成脊髓损伤、四肢瘫痪长达14年的患者在术后进行3个月的康复训练后,通过脑电活动控制气动手套,完成了自主喝水等日常活动,其抓握准确率超过90%。

这些案例表明,脑机接口技术正实现从动物实验到人体移植的跨越。当前,脑机接口技术正处于技术爆发期,目前主要应用在帮助神经性瘫痪患者改善运动、交流、感知功能上。

脑机接口是什么?它处在怎样的发展阶段?前景如何?需要从哪些方面规范这一技术?带着这些问题,科技日报记者采访了脑机接口领域的专家。

脑科学发展催生脑机接口技术

脑机接口是在大脑与外部设备之间创建信息通道,实现两者之间直接信息交互的新型交叉技术。它通过记录装置采集大脑神经活动,利用机器学习模型等对神经活动进行解码,解析出其中蕴含的主观意图等信息,并基于这些信息输出相应指令,操控外部装置实现与人类主观意愿一致的行为。此外,它还能接收来自外部设备的反馈信号,构成一个交互式的闭环系统。

脑机接口的发展与脑科学的发展息息相关。20世纪20年代,德国精神科医生汉斯·贝格尔首次记录到人的脑电波。从此,脑电波监测被运用于临床实践中。1969年,美国华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究,这标志着脑机接口技术开始成形。1998年,美国布朗大学约翰·多诺霍博士及所在团队,将电脑芯片和人脑连接,使人脑能对其他设备进行远程控制。

近年来,随着生物医学、通信和人工智能等领域技术水平的显著提升,脑机接口技术实现了跨越式发展。目前,利用脑机接口控制电脑、机械臂等技术已经较为成熟。

不少国家和地区已从国家战略层面对脑机接口进行了顶层设计。美国于2013年发布“美国创新性神经技术大脑研究计划”,欧盟于2013年启动“人类脑计划”,日本于2014年发布“日本大脑研究计划”。此后,我国也发布了“脑科学与类脑科学研究”,即“中国脑计划”。

在医学上展现出强大生命力

根据脑电信号获取的方式,脑机接口可分为侵入式、非侵入式和介入式三种。马斯克的公司采用的技术路线是侵入式脑机接口,通过开颅手术放入电极接触神经元细胞,实现脑电信号的获取及解码。南开大学人工智能学院教授段峰介绍:“侵入式脑机接口属于有创伤植入,技术难度大,存在继发感染的可能性。一旦发生颅脑感染、电极出现故障或电极寿命结束,需将电极取出,否则会对人脑造成二次损伤。并且随着植入时间延长,电极被结缔组织包裹,信号有可能逐渐衰弱甚至消失。”

非侵入式脑机接口在头皮外侧以无创的方式采集脑信号,在商业化场景中潜力巨大,正朝着低成本、便携化、多元化方向发展。强脑科技合伙人兼高级副总裁何熙昱锦说:“用户要的是效果,要求脑机接口做到功能强大、简单易用。非侵入式脑机接口的技术特性刚好能够满足用户的这一需求。但这种方式获取的脑电信号较为微弱,因此需要强大的信息解码能力,否则解析的脑电信号会偏离用户真实意图。”

介入式脑机接口指通过介入手术将电极等信号记录装置从血管导入到特定脑区,是一种低伤害、高精度、高通量脑内神经信号采集的脑机接口技术。2023年,段峰团队牵头的全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验获得成功。

尽管目前脑机接口仍处于起步阶段,但依然在医学上表现出强大的生命力。脑机接口可以成为连接瘫痪患者大脑和外部“躯干”的桥梁,帮助他们用意念取物。同理,脑机接口也可以使残疾人的假肢更精准地执行大脑指令。由于血脑屏障的存在,大部分药物难以通过血管进入大脑,传统药物对于治疗抑郁症、帕金森病等疾病效果微弱。脑机接口技术通过对神经核团的直接调控干预,或可在脑部疾病治疗方面起到意想不到的效果。2020年起,上海瑞金医院孙伯民团队陆续尝试对26位患者使用脑机接口技术治疗抑郁症。再如,治疗帕金森病时,可以使用电极刺激大脑中的运动神经,遏制大脑的异常放电,缓解帕金森病人的颤抖等症状。作为一项交互性技术,脑机接口技术既可以获取人脑的信息,又可通过侵入或非侵入式的技术手段对人脑施加影响。这样一来,人类能通过脑机接口,从曾经不够了解的大脑区域获得更多数据,进而推动脑科学的迅速发展。

在日常生活中,商业公司正在尝试将脑机接口运用于发掘人脑潜力。何熙昱锦认为,脑机接口设备能够实时读取脑电信号,再通过软件及时给予视觉、听觉反馈。运动员就可以通过非侵入式脑机接口训练专注力。

大脑与万物互联道阻且长

“脑机接口是一项萌芽技术,又涉及到计算机、医学、机械等多种学科,我们需要给脑机接口研究更多时间、更多宽容。”段峰坦言。

目前,对于意识,科学家并没有完全探索清楚。因此,基于脑科学研究发展起来的脑机接口技术,距离真正实现大脑与万物互联还有很长的路要走。

当这一天真的到来时,一方面,人们可以将互联网作为容量无限的外置大脑,直接获取人类积累的全部知识,所思所想也可以实时上传、备份。这将彻底颠覆人与世界的互动方式。但另一方面,当思想可以被读取、上传时,因此带来的隐私问题也成为人类必须面对的难题。

作为一项新技术,脑机接口需要政策的规范。今年1月,工业和信息化部等七部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》,公布了未来产业十大创新标志性产品,“脑机接口”位列其中。意见明确要“突破脑机融合、类脑芯片、大脑计算神经模型等关键技术和核心器件,研制一批易用安全的脑机接口产品,鼓励探索在医疗康复、无人驾驶、虚拟现实等典型领域的应用”,这为脑机接口的发展指明了方向。2月,国家科技伦理委员会人工智能伦理分委员会研究编制了《脑机接口研究伦理指引》,指出“脑机接口研究应适度且无伤害,研究的根本目的是辅助、增强、修复人体的感觉—运动功能或提升人机交互能力”。

千年前,李商隐写下“身无彩凤双飞翼,心有灵犀一点通”。如今,脑机接口正在连接大脑与万物,突破身体的限制,将“心有灵犀”的边界拓展至无限。

 
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