文　Serina

大腦是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級部分，也是腦的主要部分。成人的大腦內(nèi)有140億個神經(jīng)細胞，它們通過復雜的生理結(jié)構交聯(lián)在一起，控制著人類高級神經(jīng)活動，包括人類的思考及身體各部位的運動。

腦機接口，顧名思義，是由人類大腦和計算機等外圍設備等連接而成的智能裝置。在日本漫畫家士郎正宗的作品《攻殼機動隊》中，漫畫女主草雉素子的腦后被植入可以與電腦連接的可插拔式接口即作者對于未來生活中腦機接口作用方式的一種設想。在漫畫中，大腦與電腦連接并融合后將實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接，并可直接控制電子設備，使人類擁有更多技能。但在現(xiàn)實中，實現(xiàn)人腦數(shù)據(jù)與電子數(shù)據(jù)的對接與相互轉(zhuǎn)換，卻遠非如此簡單。在21世紀的今天，腦機接口是一項融合了解剖學、腦科學、神經(jīng)生物學、計算機科學、自動控制及心理學等的前沿交叉學科。

腦電波產(chǎn)生的原理

將大腦與電腦相連，其核心原理就是以外圍電子設備識別大腦發(fā)出的命令，將其轉(zhuǎn)化成電腦可處理的信號。在過去的幾十年間，神經(jīng)生物學家和腦科學家一直致力于破解大腦進行思考及肢體運動的工作原理。他們發(fā)現(xiàn)，大腦主要通過神經(jīng)元間電位傳導形成思維及對運動的指令。

用腦電波控制假肢做出相應運動

何為電位傳導？與生物體內(nèi)大多數(shù)細胞一樣，神經(jīng)元周圍Na+離子含量非常豐富，而細胞內(nèi)部的Na+則相對較少，這樣在細胞膜內(nèi)外形成了一個“外高內(nèi)低”的離子濃度差。在神經(jīng)元細胞膜上存在大量Na+通道，當這些Na+通道開放時，在細胞膜上形成很多“孔洞”，使導致細胞外的Na+順濃度梯度流向胞內(nèi)。由于N a+帶正電荷，因此Na+的流動就代表電子的流動，這個生理學過程被稱為生物電現(xiàn)象。而每一次Na+內(nèi)流后導致的電子流動被稱為動作電位。成熟的神經(jīng)元有很多樹叉般的分支，在任何一個部位發(fā)生的動作電位會迅速傳遞至整個細胞和相鄰神經(jīng)細胞，形成電脈沖。數(shù)個神經(jīng)元的電脈沖信號相互傳遞、疊加后即可形成我們熟知的腦電波。

雖然神經(jīng)元的激活和傳遞信號的方式是單一的，但不同的神經(jīng)元間進行協(xié)調(diào)產(chǎn)生的大腦功能卻是復雜的。在多數(shù)時間，大腦需要同時進行高級思考、控制運動、發(fā)生感覺等多項腦功能。在長期的演化中，人類的大腦進化出不同的腦區(qū)，每個腦區(qū)內(nèi)神經(jīng)元電位的改變代表相應的功能被激活。如位于額葉的高級心理機能區(qū)和人的情緒、情感與機能相關，切除前額葉的猴子無法形成自我意識。由于高級心理功能是一個較為抽象的能力，神經(jīng)元之間是如何將信號轉(zhuǎn)化成自我意識的具體機制還不得而知。但與此相對的，視覺、運動功能區(qū)等一些比較直觀、簡單的功能，已得到廣泛而深入的研究。因此，在腦機接口的發(fā)展中，利用外圍電子設備解碼大腦的視覺、聽覺及運動功能的研究也發(fā)展得更為迅速。

腦機接口技術的研究

事實上，“腦機接口”這一術語即是1973年由美國科學家維達爾在研究人視覺時提出的。他以大腦視覺區(qū)受到刺激后其神經(jīng)元產(chǎn)生的誘發(fā)電位為控制信號，并通過計算機編程將電位信號轉(zhuǎn)換成電腦屏幕上的光標位置，使操作者通過視覺控制光標成功穿越二維迷宮。這被認為是腦機接口的雛形。

1989年，美國費城MCP哈內(nèi)曼大學的約翰K.切賓教授率領團隊率先開展了關于用計算機解析運動功能區(qū)的研究。他們在大鼠的大腦內(nèi)通過手術插入電極，同時檢測46個神經(jīng)元的電位變化。他們首先訓練大鼠通過壓動一個杠桿取到水喝，當大鼠可以熟練完成動作后杠桿被取走，大鼠必須在大腦中“想象”壓動杠桿，激活相關腦區(qū)后將電信號傳遞給電腦，電腦會自動向籠中注水。這即是著名的大鼠壓桿實驗，標志著腦機接口研究體系的基本確立。

2008年，美國匹茲堡大學施瓦茨教授帶領的團隊已經(jīng)可以成功記錄并分析100個以上神經(jīng)元的活動。當年的《自然》雜志報道了他們這一杰出的研究成果。他們以猴子為研究對象，首先訓練猴子用操縱桿控制機械手為自己取食，并利用植入的電極記錄下猴子腦內(nèi)的神經(jīng)元活動。隨后將猴子的手綁起來，使猴子在腦內(nèi)“想象”操作機械手并通過向電腦發(fā)射神經(jīng)元信號控制機械手抓取食物。經(jīng)過訓練后，猴子甚至可以繞過障礙物控制機械手去取食，當實驗室拖動食物時，猴子也能調(diào)整機械手去做相應運動。

腦機接口技術的應用

經(jīng)過不斷的發(fā)展，至今為止，腦機接口技術已進入臨床應用階段。根據(jù)腦電波檢測的方式劃分，腦機接口技術可以分為非植入式及植入式兩大類。非侵入式通過在頭部佩戴電極帽的方式對腦電波進行信號采集。在2016年12月央視播出的《挑戰(zhàn)不可能》綜藝節(jié)目中，浙江大學研究生黃麗鵬利用這種設備控制大鼠的運動方向，并先后穿越了障礙物、小橋、隧道及沙漠成功到達目的地并完成挑戰(zhàn)。實驗者在大鼠腦內(nèi)事先安插了電極，與大鼠攜帶背包內(nèi)的芯片相連。當實驗者的大腦發(fā)出指令后，芯片內(nèi)儲存的算法可將腦電波解碼，使電極產(chǎn)生刺激信號，從而控制大鼠的運動行為。

非侵入式腦機接口技術具有無損、方便攜帶、成本較低等優(yōu)點。但由于電極帽與腦神經(jīng)相隔甚遠，電極帽采集的實為頭皮腦電信號，具有信號采集緩慢、精細度不高、信噪比低、信息量少、噪聲干擾等不可避免的缺點，限制了非植入式腦機接口在臨床方面的應用。但其在游戲、虛擬現(xiàn)實等方向具有廣闊的應用前景。如奧地利的格拉茨大學開發(fā)的一臺基于非植入式腦機接口的魔獸世界游戲中，體驗者可以通過想象左右手控制游戲人物左右轉(zhuǎn)向，通過想象雙腿運動控制游戲人物前進。

機器人會聰明到什么程度？

與此相對，侵入式腦機接口是一項基于在腦內(nèi)通過開顱手術在大腦皮層中植入電極的腦機接口技術。與非侵入式腦機接口技術相比，具有采集的信號分辨率高、運動信息量大等顯著優(yōu)勢。實驗者利用侵入式腦機接口可實現(xiàn)更復雜、多維的自由運動。

在2017年《柳葉刀》發(fā)表的一項相關治療成果介紹了這種侵入式腦機接口技術的最新應用實例。癱瘓患者科奇瓦爾具有健康的大腦，但一場不幸的車禍使他失去了對四肢的控制能力。在治療期間，美國俄亥俄州克里夫蘭凱斯西儲大學生物醫(yī)學工程師博盧·阿吉博耶通過手術分別在科奇瓦爾的腦部運動皮層植入了電極傳感器，并在手臂植入了36個肌肉刺激電極，包括幫助恢復手指、拇指、手肘和肩膀動作的4個電極。這些電極都與電腦相連。當科奇瓦爾觀察屏幕中的假象手臂并“想象”進行運動時，他的大腦發(fā)出運動的腦電信號會被植入運動皮層的感應芯片捕捉到，并經(jīng)傳輸線遞呈至計算機。計算機內(nèi)對電信號進行分析與轉(zhuǎn)換，并向位于手臂的肌肉刺激電極發(fā)出電腦指令，指揮手臂做出相應運動。經(jīng)過18周訓練后，科奇瓦爾已經(jīng)可以成功實現(xiàn)利用外圍設備進行伸手和抓取，并完成飲食等較為復雜的行為。可以說，腦機接口技術為癱瘓人群回復日?；顒拥目赡苄詭砹饲袑嵖尚械奶娲桨浮ｋS著技術的進一步發(fā)展，相信這個技術將實現(xiàn)更精準的控制，幫助更多的癱瘓人群重獲新生。