本文來自微信公眾號“中國工程院院刊”，選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第2期，作者：Chris Palmer。
來源：Brain–Computer Interface Speaks up[J].Engineering,2022,9(2):3-5.
編者按
腦機(jī)接口系統(tǒng)可以在生命體和非生命體之間建立直接的通信橋梁。無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常將傳感器放在頭骨上，以偵測數(shù)以百萬計神經(jīng)元同時產(chǎn)生的腦電活動。隨著電子、材料科學(xué)以及人工智能方面的進(jìn)步，用于腦機(jī)接口的神經(jīng)設(shè)備趨于小型化、智能化、無創(chuàng)化且無排異反應(yīng)，應(yīng)用前景廣闊，如可以讓失語患者重獲表達(dá)能力等。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第2期刊發(fā)《利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助失語患者“說話”》一文，報道了腦機(jī)接口技術(shù)目前的主要研究方向以及取得的研究成果。文章指出，腦機(jī)接口技術(shù)早期的主要發(fā)展方向為恢復(fù)癱瘓患者的運(yùn)動能力，隨著技術(shù)發(fā)展，這項技術(shù)也在恢復(fù)視覺與聽覺、治療心理或神經(jīng)疾病、幫助癱瘓患者進(jìn)行溝通等方面進(jìn)行了應(yīng)用。此外，腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用需考慮市場和成本因素。
2021年7月《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（The New England Journal of Medicine）中的一篇文章報道，一項神經(jīng)植入物技術(shù)成功幫助了一位癱瘓18年的患者，讓他第一次說出了一句可被人理解的話語——“我的家人在外面”。這名患者叫Pancho（化名）。2003年，年僅20歲的Pancho遭遇了嚴(yán)重的車禍。雖然該技術(shù)僅在這一位患者身上取得成功，但是這項成就標(biāo)志著腦機(jī)接口工程的進(jìn)步。加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的研究人員創(chuàng)造了一套算法，可以控制Pancho大腦語言區(qū)域的電子陣列，并將他的神經(jīng)活動翻譯為語言。每年都有數(shù)千人由于中風(fēng)、疾病、受傷等原因失去表達(dá)能力，因此研究人員希望此項技術(shù)在某天可以幫助失語的人群重獲交流的能力。
電子、材料科學(xué)以及人工智能方面的進(jìn)步使得這些神經(jīng)設(shè)備小型化、智能化、無創(chuàng)化且無排異反應(yīng)?，F(xiàn)在，分析預(yù)測全球腦機(jī)接口市場價值將在2030年達(dá)到55億美元，如Facebook（美國加利福尼亞門洛帕克）和Neuralink（美國加利福尼亞舊金山）等公司也開始研發(fā)面對日常消費(fèi)者與病患的腦機(jī)接口設(shè)備。美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校語言神經(jīng)治療研究團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)及博士后David Moses說道：“過去10年內(nèi)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大幅進(jìn)步。最明確的一點(diǎn)便是行業(yè)參與率直線上升。”
在最基本層面，腦機(jī)接口技術(shù)允許人類大腦與外部設(shè)備相互交流。有創(chuàng)外科手術(shù)在大腦中植入腦機(jī)接口設(shè)備，或像Pancho一樣，在大腦表面植入設(shè)備。這些設(shè)備通常是一個由數(shù)十個小型金屬電極組成的陣列，針對特定神經(jīng)元，不僅記錄神經(jīng)元活動，同時刺激這些神經(jīng)元活動。
雖然這些植入設(shè)備能直接接收大腦的電信號，但是這些設(shè)備的缺點(diǎn)也很明顯。加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校認(rèn)知科學(xué)教授Virginia de Sa說道：“所有手術(shù)都有風(fēng)險。從神經(jīng)元的角度出發(fā)，皮質(zhì)內(nèi)植入物更像是一個電極。”她也在研究中使用了腦機(jī)接口技術(shù)。她還說：“此外，大腦不喜歡其內(nèi)部有外來物質(zhì)，神經(jīng)膠質(zhì)會爬滿皮質(zhì)內(nèi)電極，這也意味著刺激或記錄行為最終將無法進(jìn)行。”
無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常將傳感器放在頭骨上，用于偵測數(shù)以百萬計神經(jīng)元同時產(chǎn)生的腦電活動。這些傳感器無需通過手術(shù)就可以實現(xiàn)輕松安裝或移除，不過相比有創(chuàng)工具，其信號會相對模糊不清。威斯康辛大學(xué)生物醫(yī)學(xué)副教授、神經(jīng)刺激設(shè)備研發(fā)人員Kip Ludwig說道：“這就像聽兩個人說話一樣，一個是站在他們旁邊聽他們說話，一個是在房間外面聽他們說話”。
早期，腦機(jī)接口發(fā)展的主要方向為恢復(fù)癱瘓患者的運(yùn)動能力。隨著技術(shù)發(fā)展，這項技術(shù)也有了其他應(yīng)用，如恢復(fù)視覺與聽覺、治療心理或神經(jīng)疾病、幫助癱瘓患者進(jìn)行溝通等。2005年報道了一項腦機(jī)工作成果，其中由美國多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的專家組成的團(tuán)隊，經(jīng)過數(shù)十年的動物研究，為四肢癱瘓的Matt Nagle裝備了首個植入式腦機(jī)接口設(shè)備，用于控制一只機(jī)械手。自此，腦機(jī)接口技術(shù)不斷發(fā)展，讓假肢能夠進(jìn)行完全的三維控制與抓握，同時還能提供觸覺反饋（圖1）。
圖1.一個柔軟、有彈性的輕量化機(jī)械手，能夠同時提供肌電控制與觸覺反饋。相比傳統(tǒng)神經(jīng)假肢手臂，該機(jī)械手對于截肢者來說更易于掌控。來源：Massachusetts Institute of Technology/Xuanhe Zhao(public domain)。
除了提升假肢功能，腦機(jī)接口也用于治療多種心理和神經(jīng)疾病。1997年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（US Food and Drug Administration）批準(zhǔn)通過了首個深部腦刺激設(shè)備，用于治療特發(fā)性震顫。該設(shè)備本質(zhì)上是一個長電極，帶有數(shù)個電接觸點(diǎn)，通過安裝在鎖骨的設(shè)備進(jìn)行控制。2002年，該設(shè)備被批準(zhǔn)用于治療帕金森?。▓D2），2003年被批準(zhǔn)用于治療肌張力障礙以及2018年被批準(zhǔn)用于治療癲癇（見參考文獻(xiàn)[7]中有關(guān)深部腦刺激的討論）。Ludwig說道：“深部腦刺激設(shè)備能有效治療帕金森病以及特發(fā)性震顫。你可以看到運(yùn)動得分平均上升了60%。許多情況下，這就決定了患者能否重新回到工作崗位。”
圖2.深部腦刺激設(shè)備電極通常用于治療帕金森病。在該模擬影像中，深部腦刺激設(shè)備電極（白色）通過手術(shù)植入左右腦丘腦底核（橙色）。這些大腦區(qū)域負(fù)責(zé)實現(xiàn)想要的動作并抑制不想要的動作。來源：Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)。
Ludwig說道：“然而，該技術(shù)難以惠及那些真正需要治療的患者，只有5%~20%的患者會接受利用深部腦刺激來治療帕金森病。因為如果你說‘我要在你腦袋上開個洞，并將1.2 mm粗的鉛棒塞入大腦深部’，患者會表示‘我還是先試試別的方法吧’。”
深部腦刺激治療抑郁癥也沒達(dá)到預(yù)期效果。在早期報道的小型實驗中，深部腦刺激成功治療了40%~80%的患者。之后，醫(yī)療設(shè)備制造贊助商圣猶達(dá)公司（美國明尼蘇達(dá)小加拿大）因不明原因在2017年突然停止了目前世界上最大的臨床試驗。
雖然遭遇了挫折，研究人員依然沒有放棄這項技術(shù)。這項被停止的試驗的領(lǐng)導(dǎo)人最近使用人工智能辨別大腦的β節(jié)律，作為深部腦刺激的生物標(biāo)記；通過該研究成果他們希望能優(yōu)化深部腦刺激治療的效果。2021年9月，神經(jīng)外科醫(yī)生Edward Chang（負(fù)責(zé)Pancho的語言神經(jīng)受損康復(fù)治療）帶領(lǐng)的加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊，宣布他們使用深部腦刺激設(shè)備——NeuroPace響應(yīng)神經(jīng)刺激系統(tǒng)（美國加利福尼亞山景城NeuroPace公司）——成功治療了一位從小就患有難治性重度抑郁癥的36歲女性患者。與以往深度腦刺激設(shè)備電極簡單地不斷進(jìn)行電刺激不同，NeuroPace系統(tǒng)檢測與該患者抑郁癥相關(guān)的特定腦電波波形，并適時向大腦神經(jīng)元回路發(fā)送電流，讓效果最大化。研究人員稱一年以來該患者癥狀有所減輕。
腦機(jī)接口研究的另一項重點(diǎn)，便是幫助失語患者通過打字、手寫，或者合成音更好地進(jìn)行溝通。2017年，由塔夫斯大學(xué)（Tufts University）和其他幾所美國大學(xué)的研究人員組成了BrainGate研究團(tuán)隊，該團(tuán)隊研發(fā)的腦機(jī)接口使三位癱瘓患者能通過屏幕上的光標(biāo)選擇字母，其中一人打字速度甚至能達(dá)到每分鐘8個字。2021年6月，BrainGate團(tuán)隊報道了最新成果。該團(tuán)隊的設(shè)備通過檢測四肢癱瘓患者的皮層運(yùn)動區(qū)電信號進(jìn)行手寫識別，使得患者能以每分鐘86個字母的速度組織英語語句（圖3）。
圖3.由BrainGate研究團(tuán)隊研發(fā)的腦機(jī)接口，由100個細(xì)小金屬電極組成（大小同10分的美元硬幣），用于記錄大腦皮質(zhì)運(yùn)動區(qū)在手寫過程中產(chǎn)生的信號。然后通過此類信號在電腦上實時生成相應(yīng)文本。來源：BrainGate.org(public domain)。
兩個月后，Moses等發(fā)表了他們有關(guān)Pancho語言能力的腦機(jī)接口的研究進(jìn)展，該研究是基于他們之前公布的癲癇患者手術(shù)過程中皮層腦電圖測量結(jié)果形成的（圖4）。經(jīng)過81周50個療程后，美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊將由128個電極組成的長方形腦機(jī)接口植入Pancho的大腦，然后通過光纜（連接頭部接口）與一臺計算機(jī)連接，并讓Pancho說出50個常見詞，比如“餓”“音樂”“計算機(jī)”。當(dāng)Pancho試圖說話時，定制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將辨別其大腦活動的精細(xì)波形，用于檢測語言意圖以及尋找他想說的詞語。該訓(xùn)練有助于構(gòu)成一個特殊的語言模型，該模型在Pancho試圖說特定詞語時進(jìn)行反應(yīng)。團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以以每分鐘15個單詞的速度解碼Pancho大腦活動產(chǎn)生的單詞，準(zhǔn)確率高達(dá)74%。
圖4.美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊選擇利用的皮層腦電圖植入物，由256個電極組成（呈正方形，邊長為6 cm，位于大腦表面），無需穿透大腦組織便能解碼接受手術(shù)治療的癲癇患者的語言，由此辨別發(fā)病機(jī)理。來源：UCSF/Noah Berger(public domain).
de Sa說道：“雖然當(dāng)前詞匯量極其有限，但是成果依然讓人印象深刻。再多點(diǎn)努力與時間，就能有更好的成果。”
Moses則認(rèn)為，即使詞匯量極為有限，但也能幫助那些難以使用鍵盤以及其他現(xiàn)存接口的人。他補(bǔ)充道，他們的工作還展示了超過一年的連續(xù)解碼。“這一點(diǎn)特別重要，因為你不想讓一個東西的有效性太短。”
雖然Facebook公司資助了美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心的語言神經(jīng)假肢研究，但該公司宣布其將離開有創(chuàng)設(shè)備領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向手腕穿戴式設(shè)備領(lǐng)域，用于實現(xiàn)2017年所宣布的目標(biāo)——幫助一般消費(fèi)者實現(xiàn)每分鐘100個單詞輸入的神經(jīng)接口系統(tǒng)。
另一家打算制造一個腦機(jī)接口設(shè)備的公司是Neuralink（美國加利福尼亞菲蒙），該公司由連續(xù)創(chuàng)業(yè)家Elon Musk于2016年成立。相比Facebook公司面向一般消費(fèi)者，Neuralink公司堅持為患者提供設(shè)備。其在最新一代硬幣大小的無線腦機(jī)接口設(shè)備上安裝了1024個針型靈活的電極，能穿透大腦皮層，記錄并操控神經(jīng)活動。雖然還需進(jìn)行人體試驗，但在2020年的展示中，該設(shè)備已經(jīng)能使猴子游玩簡單的彈球游戲。
專家稱Neuralink公司目前所做的工作顯示出他們的技術(shù)并沒有領(lǐng)先其他腦機(jī)接口技術(shù)，但是他們能根據(jù)公司大量資源（比如包括100名專業(yè)項目人員）進(jìn)行改變。Ludwig說道：“在利用無線腦機(jī)接口通過被動記錄進(jìn)行預(yù)測方面，Neuralink公司當(dāng)前完成了非常有意義的第一步。下一步需要通過數(shù)以百計的動物試驗，然后才能進(jìn)行人體試驗，任務(wù)繁重。”而且實際上，下一步的工作比Ludwig說的還要具有挑戰(zhàn)性。Neuralink公司將進(jìn)行重新設(shè)計，以征得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，同時改善設(shè)備容錯。另外，他們還將相應(yīng)地重新設(shè)計供應(yīng)鏈，考慮價格點(diǎn)等。
Ludwig認(rèn)為市場因素將是腦機(jī)接口能否成功的重要變量。他說：“我們必須迅速認(rèn)識到這項技術(shù)成本高昂且市場有限，這樣是無法支撐起該技術(shù)的。”
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
（原標(biāo)題：利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助失語患者“說話”丨Engineering）
