腦機接口技術：從(cong) 生活走向太空

　　北京時間8月29日早上，在15萬(wan) 人圍觀的直播中，馬斯克發布了旗下公司Neuralink的腦機交互設備，並向大家展示了三隻植入腦機芯片的小豬。

　　這次演示意在表明，Neuralink的腦機接口技術正在進步，有望在未來某一天安全地應用於(yu) 人類。這種腦機接口技術可能會(hui) 幫助一些身體(ti) 狀況不那麽(me) 理想的人。

　　我國的腦機接口研究者對此表示期待。那麽(me) ，我們(men) 的腦機接口技術發展狀況是怎樣的呢？

　　腦機接口研究因患者起步

　　腦機接口，有時也稱作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動物腦(或者腦細胞的培養(yang) 物)與(yu) 外部設備間建立的直接連接通路。簡單來說，就是實現腦與(yu) 機器之間的直接“對話”。該技術能用於(yu) 教育、醫療，當下正被業(ye) 內(nei) 人士熱評為(wei) “技術上的新風口”。中國科學院院士、中科院腦科學與(yu) 智能技術卓越創新中心學術主任蒲慕明在接受采訪時曾介紹：“腦機接口大致有兩(liang) 類，一種是非侵入式的，即將電極放在頭皮上，通過腦波診斷來判斷大腦的狀態，做疾病的診斷，還可以用腦波來控製外麵的機器、外骨骼係統。另外一種是侵入式的，即直接把電極插入到大腦皮層，它可以記錄更多、更準確的大腦的反應，進而更好地操縱外麵的器械。”

　　馬斯克此次在新媒體(ti) 上宣布的屬於(yu) 侵入式腦機接口技術的應用。

　　在天津醫院康複科的治療室裏，63歲的腦出血患者徐寶釧正在借助天津大學神經工程團隊研發的康複機器人係統，依靠運動想象進行手腕功能康複訓練。幫助他的康複機器人叫“神工”，核心技術就是腦機接口。

　　“神工”的“爸爸”是個(ge) 70後的山東(dong) 人，有著令人印象深刻的名字——明東(dong) 。1994年，明東(dong) 考進天津大學精儀(yi) 學院生物醫學工程專(zhuan) 業(ye) 學習(xi) 。“我們(men) 專(zhuan) 業(ye) 本科學製5年，醫工兼修。在讀博期間，看到許多截癱患者後期康複治療非常困難，當時我就想，如果通過機器采集和讀取腦電信號，然後解碼輸出控製信號，讓身體(ti) 執行，是不是可以為(wei) 截癱患者建立新的人工運動神經通路，重新獲得運動能力。”

　　明東(dong) 解釋：“大腦是宇宙中最複雜的係統之一，不但有極為(wei) 複雜的神經網絡結構，還有千變萬(wan) 化的動態信息。每說一段話，大腦裏可能有上億(yi) 個(ge) 涉及的神經細胞在發放電信號。”

　　頭皮腦電波的信號非常微弱，隻有百萬(wan) 甚至千萬(wan) 分之一伏，科研工作者要通過傳(chuan) 感裝置監測不同活動腦電波的變化，再通過這些信息研判出人在做什麽(me) 樣的思考或者有什麽(me) 意圖。捕捉、破譯頭皮腦電信號類似於(yu) 在非常嘈雜的購物中心遠遠地聽見、聽懂一個(ge) 人自言自語的呢喃。聽到腦語、解讀腦語、輸出腦語涉及到傳(chuan) 感、材料、算法、介質……聽上去都不輕鬆，研究過程的艱難可想而知。

　　2014年首台適用於(yu) 全肢體(ti) 中風康複的人工神經機器人係統——“神工一號”研製成功。融合了運動想象腦機接口技術和物理訓練康複療法，該係統在中風患者體(ti) 外，仿生構築了一條人工神經通路，經過模擬解碼患者的運動康複意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術，產(chan) 生對應動作。隨後“神工二號”“神工三號”相繼研發成功。目前，“神工”已通過國家食品藥品監督管理總局(CFDA)檢測，在天津、山東(dong) 多地三甲醫院進行臨(lin) 床試驗，受益患者數千例。

　　明東(dong) 解讀：“侵入式與(yu) 非侵入式兩(liang) 者各有利弊，如果把人的頭顱比作一個(ge) 房間，非侵入式需要克服頭發、頭皮、顱骨等對信號的重重‘阻擋’；在大腦中植入芯片的侵入式就像在房間裏聆聽和輸出腦語，這種方式雖然聽得清晰，但有安全風險。我國科研工作者目前在腦機接口方麵的優(you) 勢研究方向更多集中在非侵入式，我相信隨著技術的不斷進步，‘屋外’的聆聽會(hui) 和屋內(nei) 一樣清晰，而且更安全。”

　　給太空探索帶來無限可能

　　在科學研究領域，世界各國都加大了對腦機接口技術的研究。腦機接口一直被列為(wei) 美國最優(you) 先支持發展的顛覆性創新技術之一，近十年裏，美國在腦機接口領域發表的論文總數排名第一，我國位於(yu) 第二位。

　　2019第三屆世界智能大會(hui) 上，世界首款腦機編解碼集成芯片——“腦語者”麵試，它能夠采用先進的機器學習(xi) 算法，對極微弱腦電特征進行精細分辨與(yu) 快速解碼，輸出一個(ge) 指令僅(jin) 需1.7秒，首次實現了一個(ge) 108個(ge) 字符的高速腦機交互係統。2020年2月6日出版的《自然》雜誌中稱“腦語者”保持了目前頭皮腦電BCI在線控製最大指令集的世界紀錄。

　　“有了腦語者芯片的加持，‘神工’可以化作一個(ge) 體(ti) 積更小的可穿戴便攜設備，可以輔助病人完成更多複雜而精細的肢體(ti) 動作，如果把顱電磁刺激技術、機械外骨骼技術和虛擬現實技術結合一起，將能幫助到更多的病人。此外，腦機接口技術還能為(wei) 抑鬱症、自閉症、阿爾茲(zi) 海默症等一係列精神和神經係統疾病的診斷與(yu) 治療帶來福音。”明東(dong) 團隊骨幹、天津大學神經工程中心許敏鵬副教授介紹。

　　明東(dong) 團隊還通過對大腦運行機製與(yu) 人機交互的融合，將類腦智能技術從(cong) 治療出發開始運用到生活的許多方麵。國內(nei) 首款人感仿生神經係統，目前已成功應用於(yu) 海爾集團的中央空調係統，空調有了如同人類的“感覺神經係統”，探測有多少人，怎樣送風由智能決(jue) 定。而未來，這一技術將在家庭物聯網、居家養(yang) 老看護等領域迎來更廣闊的應用前景。

　　“腦語者”研究的合作者，中國電子信息產(chan) 業(ye) 集團數據科學家、中電雲(yun) 腦科技有限公司總經理程龍龍博士表示，精解碼、高指令、快通信、強交互，是“腦語者”的四大優(you) 勢，使“意念控製”距離我們(men) 不再遙遠。未來該芯片係列還將不斷“進化”，為(wei) 新一代腦機智能發展提供技術支撐。

　　明東(dong) 團隊的實驗係統也走向了太空。2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行過程中，兩(liang) 位航天員完成人類曆史上首次太空腦機交互。明東(dong) 是這套實驗係統的主要設計者，他帶領團隊與(yu) 中國航天員中心合作，通過大量地基實驗深入揭示了失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實現了高識別度、高穩定性、適於(yu) 空間環境的腦機接口自適應分類技術；建立了針對航天特征的實驗策略和訓練方法，大幅提高係統識別正確率，為(wei) 有效開展外太空和地球之間的差異對比建立穩定基線。此次測試進一步牽引了多項未來中國空間站任務的成功立項開展，從(cong) 而為(wei) 我國載人航天工程的新一代醫學與(yu) 人因保障係統提供了關(guan) 鍵科學依據與(yu) 技術支撐。

　　中國生物醫學工程學會(hui) 副理事長、中國工程院院士顧曉鬆說：“我們(men) 的夢想是未來通過人腦控製能完成更多的深空探索。上天設備要求重量小、性能高、更集約。所以腦機編解碼集成芯片很自然地成為(wei) 下一個(ge) 研究方向。”“腦語者”的研製成功，給人類在太空中的探索又帶來了無限可能。今年，國際首顆人機交互科學試驗衛星“天帷—天幄”號有望發射，一場人—星交互協作的空間實驗即將拉開帷幕。

　　明東(dong) 介紹，腦機接口技術有三個(ge) 發展階段：腦機接口、腦機交互和腦機融合。目前正由第一階段向第二階段發展過渡，未來腦機接口技術，將從(cong) 目前腦機單向接口，進化為(wei) 腦機雙向“交互”，最終有望實現腦機完全智能“融合”。

　　開學在即，將有150名本科生走進天津大學今年新設立的“新醫科實驗班”。這種以人工智能、物聯網、大數據、機器人等交叉學科前沿技術為(wei) 醫學賦能，致力於(yu) 培養(yang) 具備家國情懷、全球視野、崇高醫德及人文關(guan) 懷意識的醫學拔尖創新人才和醫工複合型領軍(jun) 人才的培養(yang) 模式，有望為(wei) 腦機接口、智慧醫療等顛覆式創新領域培養(yang) 出更多的研究者。

　　(本報記者 劉 茜 陳建強 本報通訊員 趙 暉)