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让盲人复明、让瘫痪者行走……比ChatGPT还火的脑机接口,何时能用于临床?

“在某种程度上,我们都已是‘半机器人’,你的手机和电脑,都是你身体的延伸。”去年12月1日一场发布会上,马斯克如此说。

根据这位科技巨头、世界富豪的解释,“如果你忘记带手机了,你还是会去摸口袋,这就像肢体缺失综合症。忘记带手机就像是缺少了一个肢体,你已习惯于与它互动”。他的意思是要进一步说明,人类如果要应对人工智能(AI)并与之共存,最大的限制是——能多快地与计算机互动。

在发布会现场,由马斯克和8名联合人创立的神经科技和脑机接口公司Neuralink,展示了如何让一只猴子用“意念”打出“欢迎来到展示和讲述活动”的字样。马斯克当时更是承诺,将在半年内获得批准,开展“无限大脑芯片”的人体临床试验。

前世界首富这次没有食言。当地时间上周四,Neuralink宣布公司已获得美国食品和药物管理局的批准,将启动其首个人体临床研究。

◎ Neuralink在社交媒体宣布,将开展人体临床试验。

这意味着Neuralink将会把他们的设备植入人体大脑中。因为马斯克自带巨大流量的“体质”,这个消息引起了外界极大关注。实际上早在2021年,另一家研发脑机接口技术的公司Synchron已获得批准开始进行临床试验,它在澳大利亚对四名患者进行测试,并在今年1月发布早期研究结果:受试者通过意念成功发出文字信息,无需打字过程。

马斯克曾雄心勃勃地宣称,研发脑机接口技术的最终目标,是建立一个“全脑界面”,在未来它能够与人类的整个大脑连接,而在短期内让其可以与人体大脑特定部分对接,帮助失明者及脊损伤等疾病人群重获生机。

普通人想知道的是,这个“短期”是指多长时间,脑机接口技术还有多久可以大规模应用于临床?

◎ 脑机接口技术(Brain Computer Interface)相当于将脑电信号转换为控制指令,可以帮助运动功能障碍患者如脑卒中、渐冻症等与外部设备交互,从而提升生活质量。

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“已知宇宙中最复杂的物体”

为了弄清大脑的奥秘,千百年来科学家和医学家们可谓费尽心思。人类的感觉以及身体活动的指令来自何方?它整个工作机制的过程是怎样的?人的情绪、意识、思想、学习与记忆等认知行为,居所又在人脑哪里,它是如何受到大脑影响的?这些问题像神奇的复杂迷宫一样,引诱着人们的好奇心。然而即使是世界上最聪明的智者也得承认,人脑是“已知宇宙中最复杂的物体”,每当科学家们知道得比以往多一点,就会发现已获知的东西还是太少。

人类远古时期,先人们一直认为,心脏是产生感觉与思想的器官,因此人难过的时候会“伤心”。直到公元162年左右,罗马时期的医生盖伦通过在动物身上开展一系列实验后,才大胆地提出了一个说法:大脑很有可能才是产生意识的地方。

盖伦认为,大脑会产生一种看不见摸不着的气体,它在人体全身神经中流动,进而控制各种躯体运动。

◎ 公元2世纪时,罗马医生盖伦用猪开展试验。这幅图片来自一部出版于16世纪的盖伦著作集的扉页。/ 图片翻拍于《大脑传》一书

时间过了1500多年,盖伦提出的“精气说”才终于在科学界找到相应答案:18世纪末随着对自然界中电的研究的深入,意大利科学家伽伐尼、伏打等人在生物学领域揭示了生物体内电的力量,并利用电让青蛙肢体收缩。盖伦所提出流窜与人体各处的“气体”,实际上就是生物电。

更深层次的问题随之而来:生物电是如何在大脑神经元中产生并传输信号的?1952年英国科学家霍奇金和赫胥黎发表研究成果,他们利用枪乌贼作为实验对象,发现了神经元放电原理——钠、钾离子的跨膜流动,两人建造的模型解决了困扰生物学家们几十年的问题。

◎ 人脑非常奥秘,中国科学院脑科学中心高级研究员仇子龙曾在一篇文章里指出,目前对大脑的探索,就相当于一群科学家去一个陌生的大城市探险,在经过数年努力后只搞明白了一两幢建筑物里的住户情况。/ 站酷海洛PLUS

哺乳类动物的大脑被坚硬的头骨包裹着,如果对神经元进行最准确的电记录和接收大脑指令,必须先通过外科手术去除头骨,让微小的电极充分接触丝毫般的神经纤维。现在马斯克的公司所进行的脑机接口研发,就要将测试者的颅骨钻开并切除一部分,这称为侵入式脑机接口

◎ 手术机器人钻开颅骨并切除。/ 视频截图

一个跟硬币差不多大小、用于刺激及接收脑电波的传感器N1植入体,通过极为精细的手术避开血管系统,置入运动中的大脑。这植入体在柔性薄膜上进行微加工而成,带有电池可以进行无线充电。

◎ 置入传感器。/ 视频截图

据马斯克团队成员介绍,Neuralink公司配置的是手术机器人,机器人在家中就可以安全、可靠地为有需要的人植入设备。机器人将植入体放入大脑后,再缝合切口。

科学家在人类大脑中植入传感器的构想其实早已有之,20世纪60年代最原始的方案,是在人脑内植入传感器,收集脑电波信号后传送到计算机,再由计算机发出具体指令控制机械。这相当于通过大脑意念在指挥机械装置。

实验早已证明,植入大脑中的传感器与大脑神经元相连得越多,计算机接收到的信息越精确,然而如何制造出适合植入人脑而又安全轻便的传感器,一直考验着科学家们。直到2004 年后,脑机接口才从科学论证进入应用实验阶段的关键期,美国神经科学教授尼科莱利斯带领团队研发出更适合于植入大脑的传感器。2014年巴西世界杯开幕式上,尼科莱利斯的志愿者、瘫痪患者平托身着一套“外骨骼机器衣”的装置,用意念控制装置为揭幕战开球。

◎ 2014年巴西世界杯,身穿智能装备的瘫痪患者平托为揭幕战开球。/视频截图

将人体最奥妙的器官与当今最热门的科技——AI结合起来,当脑机接口技术成为世界科研尖端潮流,像马斯克这样的追逐者当然不会甘于人后,2020年8月他的Neuralink公司展示了使用植入传感器读取猪的大脑活动;2021年4月Neuralink发布了一段视频,一只雄性猕猴使用“意念”在屏幕上用移动光标接住来回弹跳的球。也正是这两则消息,让脑机接口声名大噪。

除却这种侵入式操作,脑机接口还有其他两种方式,本月初有国内媒体报道过“国产脑机接口让猴子通过意念取食”的消息:双手被绑住的猴子,想吃食物时产生伸手的冲动,于是通过脑电信号操纵机械臂运动将食物送到嘴里。

这是南开大学段峰教授团队进行的“介入式脑机接口试验”,它需要在试验者颈静脉刺个小口,通过导管将装有传感器的支架送入位于大脑运动皮层脑区的血管。当导管被移除后,支架在血管壁内扩张,贴近血管内壁采集脑电信号。

此外还有非侵入式脑机接口——通过头皮采集脑电信号。这种操作当然会比开颅植入传奇器安全得多,但其缺点也一目了然:隔着头皮采集到的脑电信号,难以保证质量。

◎ 脑机接口实际上是对不同部位的脑分区进行“脑密码”解析的途径,通过它我们可以更好地解析大脑的功能。/ 站酷海洛PLUS

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眼睛看不到,大脑“看见”了

四年前有科学家团队做了一组实验,训练小老鼠在看到一组线条后舔饮瓶子里的水,并记录下小鼠脑中视觉中枢的少量细胞对这些图像的反应。随后在小鼠相关的脑细胞中,研究者人为地重现了这种神经元活动的模式。这时尽管小鼠处于完全黑暗的环境中,它们却表现得仿佛看到这些线条一样。

有没有可能即使人的眼睛看不见,大脑却可以“看见”?马斯克说,通过脑机接口技术,他们团队最早想在人体实现的两个功能,一是恢复视力,“即便一个人生来就是盲人,但我们相信,仍然可以恢复‘视力’,因为大脑皮层的视觉部分还在那里。我们通过向每个通道注入电流来刺激大脑中的神经活动,它可以让我们绕过眼睛在大脑直接呈现画面”。

二是解决脊柱损伤问题,“当你触碰一个物体时,感觉沿着脊髓向上进入大脑。但受伤后这个联系被切断了。如果我们能把电极植入脊髓,就可以刺激这些神经元,激活它们进行肌肉收缩和运动”。这相当于将在人体大脑与受损神经之间架起一座“数字化桥梁”。

人们对脑机接口的未来充满憧憬,像马斯克这样充满雄心壮志的富豪企业家,不在少数。但科学家持非常谨慎的态度:以侵入式脑机接口为例,其从首次应用到临床至现在已经过去十几年,但截至目前还没有真正大规模地应用到临床上。

即使马斯克团队的成员,在去年发布会上也承认,脑机接口的未来,还要面临设备隐匿性、充电、升级如何保证等诸多挑战。

国内就有专家在医疗健康产业峰会上表示,脑机接口从试验到临床主要有两个问题:一是目前脑机接口大概一百个通道左右,能够转换的信息相对有限;二是现在临床上使用的刚性电极生物力学性能跟大脑组织有比较大的差异,不仅在植入过程中容易对大脑产生损伤,而且刚性材料植入以后会和大脑软组织发生相对的运动,容易引起大脑组织免疫炎症反应,使得植入以后电极在几个月甚至在几周以后会失效,很大程度上限制了目前脑机接口的应用。

而且脑机接口是一门综合学科,当中既涉及医学、材料学,也包含包括通信学、智能处理等技术,当发展到一定阶段,心理学、行为学、伦理学也很重要。

◎ 据中国电子技术标准化研究院公布的《脑机接口标准化白皮书2021》预测,脑机接口技术潜在市场将达数百亿元。/ 站酷海洛PLUS

综合诸多因素考虑,脑机接口技术离抵达临床还有多远的路要走?正在参与脑机接口研发、试验的北京宣武医院神经外科马永杰博士在接受北京日报记者采访时作了一个判断:

“完成首例动物试验是突破性的进步,是从0到1的进步。但抵达临床是一个从1到100的过程。”

“介入式脑机接口真正走到临床,可能还要5年甚至更长时间。”

另一方面,马永杰也认为,未来在一定程度上将人类的思考、意识、记忆存储下来,不是完全没有可能:“你甚至可以想象得更加科幻一点,比如意识的直接显示、通过意识实现驾驶等,都不是没有可能。只不过这需要一个较长的周期。”

这个周期要多长,现在没有人能给出准确答案。脑机接口的话题谈到最后,都要回到最初的认知里:人脑,实在过于奥秘。

当然,人类对未来的畅想,人的大脑对一切未知事物的好奇、一次次追索探寻,正是社会不断进步的重要推动力。乐观一点也许也可以这样说,终有一天,人类大脑会令人完全知晓大脑。

编辑|廖颖瑶

封面|站酷海洛PLUS

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