Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic.（任何充分發(fā)展的科技，都與魔法無異。）

——Sir Arthur CHarles Clarke（阿瑟·C·克拉克，“太空漫游”四部曲作者）

曾經(jīng)，將設(shè)備植入大腦以實現(xiàn)人類與計算機之間的快速通信還是《黑客帝國》等科幻電影中的情節(jié)，而最近拍攝于浙江大學(xué)第二附屬醫(yī)院的一則視頻告訴觀眾，科幻已成現(xiàn)實。

在視頻中，高位截癱患者張先生通過腦電波控制機械臂，成功拿起可樂并喂自己喝下。“握住，很棒，向自己的嘴巴移動，再往回一些，好差不多，停！”在醫(yī)生的鼓勵和指導(dǎo)聲中，張先生又操縱機械臂喂自己吃了油條，還與前來探視的浙大校長吳朝輝握了手。

這是浙大二院張建民教授團隊與浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團隊合作完成的研究成果，名為“植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究”，也是我國首例植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化研究。

腦機接口，是一項研究如何用神經(jīng)信號與外部機械直接交互的技術(shù)，也是最為尖端的技術(shù)之一。浙大二院張建民教授在百忙之中抽空接受了AI報道的采訪，為我們揭開了這項“黑科技”神秘的面紗。

手術(shù)難、尋找受試者難、恢復(fù)訓(xùn)練也難！

喂水、喂食、握手，看似簡單的三個動作，但要僅憑神經(jīng)信號操作外部設(shè)備完成，卻是難之又難。張建民稱：“對于四肢完全癱瘓的人來說，這是不可能完成的任務(wù)，今天，通過腦機接口，他做到了！”

張建民還向AI報道介紹：“通過手術(shù)，我們植入了4mm*4mm的陣列電極，上面分布著100個電極針腳。通過電極采集大腦神經(jīng)元電信號，再傳遞出來，我們才能夠進行分析、解碼，判斷電信號傳遞的是什么意思。解碼后，要去控制機械手，讓患者的想法和機械手的運動合二為一，這需要很多算法才能實現(xiàn)?！?/span>

據(jù)了解，腦機接口臨床轉(zhuǎn)化課題由張建民教授帶領(lǐng)的臨床醫(yī)生團隊和鄭筱祥教授、王躍明教授帶領(lǐng)的信號處理和算法團隊共同完成，多學(xué)科、多專業(yè)的交叉給研究帶來了難點。

張建民認為，首先要面對的困難是如何精確地將電極植入指定的位置，即控制右側(cè)上肢運動的運動神經(jīng)皮層的第5層。盡管在首例人體植入前，團隊已經(jīng)在獼猴身上進行了大量的試驗，但對人體進行的手術(shù)難度要高得多。“如果在動物大腦上造成了一點損傷，還沒什么問題；而在人身上，你必須要做到萬無一失?！睆埥褚钥隙ǖ恼Z氣說道，“我們要根據(jù)根據(jù)各種方法，包括導(dǎo)航，包括影像融合，來確定位置，然后再開顱，讓電極植入的位置恰到好處?！?/span>

不僅最終要到達的位置要萬無一失，電極移動的路線也要盡量最短，才能避免對大腦皮層的損傷。若損傷過多，手術(shù)后炎癥細胞可能包裹穿刺電極，導(dǎo)致信號缺失?！盀榱吮ＷC最小移動，我們用到了手術(shù)機器人。電極不能扎的太深，不能扎得太淺，不可能一次不行我拿出來重新來過，要一步到位?！?/span>

那么，如此精密的手術(shù)人類是否能夠勝任？機器人的應(yīng)用是必要的嗎？對此張建民答道：“機器人的定位精確度達到0.1毫米級，人類醫(yī)生不可能像機器一樣毫無誤差。”

據(jù)悉，這次手術(shù)是全球首例成功利用手術(shù)機器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。

另一大難點是尋找愿意接受實驗的患者。由于植入式腦機接口需要開顱等原因，大眾對此的態(tài)度往往較為保守，因此找到愿意接受手術(shù)的志愿者耗費了大量時間。

張建民回憶道：“第一次找到患者確實很難。這位患者有運動的需求，而我們可以給他解決功能重建的問題。患者先是看到了我們所做的工作，經(jīng)過溝通他表示愿意作為志愿者接受我們的臨床研究。我們前期已有大量動物實驗的經(jīng)驗積累，加上我們對腦電信號的提取、解碼工作，兩者結(jié)合起來，可以確定已經(jīng)具備在人身上植入腦機接口的基礎(chǔ)。當(dāng)然，這位患者接受手術(shù)這也是因為他有為科學(xué)奉獻的精神，非常不容易?！?/span>

事實證明，首例手術(shù)十分成功，手術(shù)后，患者順利進入了恢復(fù)訓(xùn)練期。而訓(xùn)練依然是困難重重。

“我們在19年8月份就為患者完成了電極植入手術(shù)，術(shù)后經(jīng)過四個多月的訓(xùn)練，患者才完成了喝水、進食、握手三個動作?！?/span>

由于患者已有72歲，為世界上接受腦機接口手術(shù)實現(xiàn)肢體動作功能重建的最高齡患者，因此容易感到疲勞，難以長時間訓(xùn)練。據(jù)了解，患者每天在結(jié)束午休后開始訓(xùn)練，通常一天只有20分鐘左右的實驗時間。另外，老年人的腦電信號質(zhì)量和穩(wěn)定性相對較弱，因此訓(xùn)練難度更增。

多年探索，重新定義失能者

在腦機接口臨床轉(zhuǎn)化的研究路上，浙大團隊已經(jīng)走了很久。

該項目是浙江大學(xué)“雙腦計劃”的一項研究?！半p腦計劃”即腦科學(xué)與人工智能會聚研究計劃，是浙江大學(xué)“創(chuàng)新2030計劃”中首個啟動的專項計劃，旨在發(fā)揮多學(xué)科綜合優(yōu)勢，推進腦科學(xué)與人工智能研究會聚融合，帶動更多的自然科學(xué)和人文社科學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展，重點在于推進腦科學(xué)與意識、下一代人工智能、腦機交叉融合等前沿方向的研究。

2012年，浙大腦機接口團隊宣布，完成國內(nèi)首例猴腦電信號控制外部機械臂運動。名為“建輝”的猴子大腦皮層被植入兩個與200多個神經(jīng)元相連接的芯片，腦部信號被計算機截獲并破譯后，可以實現(xiàn)抓、勾、握、捏四種動作。

2014年，浙大腦機接口團隊完成國內(nèi)首例基于ECoG 信號的人腦腦機接口模式下，意念控制機械手“剪刀、石頭、布”精細動作。

2020年1月，浙大腦機接口團隊終于完成了手術(shù)對象由猴到人的飛躍，張建民表示，在同類領(lǐng)域，浙大已躋身國際先進水平。

腦機接口技術(shù)可以被粗略地分為分為植入式和非植入式兩大類。其中，植入式電極更加精確，可以通過讀取腦電信號來向外部設(shè)備發(fā)出復(fù)雜的命令。非植入式電極也就是頭皮貼片電極，它更安全，更有可能被大眾接受。本次實驗采用的就是植入式電極，這與三維運動的復(fù)雜程度有關(guān)。在國內(nèi)，更多研究機構(gòu)的研究方向偏向于非植入式。

談及腦機接口對人們生活帶來的影響，張建民反問：“你覺得一個人的手，最基本的功能是什么？”

筆者猜測：“首先要能抓、握，維持自己的生存？”

張建民肯定道：“是的，所以我們從人體基本的需求出發(fā)，設(shè)計了喝可樂、吃油條、握手這三個動作?！?/span>

接受本次手術(shù)的患者是高位截癱，手、腳均完全失去了功能。而浙大腦機接口團隊將研究重點放在了上肢。張建民解釋：“一方面，手在維持人的生存上，功能更加關(guān)鍵。另一方面，讓腳站起來更加困難。下肢運動不是光有力氣、光能做幾個動作就夠了，它還要維持平衡。要實現(xiàn)平衡，實際上是非常困難的?！?/span>

浙大團隊的實踐也指出了腦機接口技術(shù)目前最大的應(yīng)用價值，即幫助失能者實現(xiàn)基本需求。海內(nèi)外的研究絕大多數(shù)定位于幫助殘障人士、老年人重建失去的感知能力，重獲肢體控制能力等。另外，也有部分研究機構(gòu)著眼于“人類增強”，即將芯片植入大腦，以增強記憶、推動人腦和計算設(shè)備的直接連接。還有部分前景可期的腦機接口應(yīng)用場景，如娛樂、教育、智能家居、軍事等。

值得注意的是，我國腦機接口研究水平與世界頂尖水平依然有明顯差距。近十年內(nèi)，美國已做過幾十例人體手術(shù)。如哈佛大學(xué)、布朗大學(xué)、波士頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、杜克大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等院校均在此領(lǐng)域取得過創(chuàng)造性的科技成果。

與此同時，腦機接口技術(shù)探索還常常伴隨著外界的質(zhì)疑聲。2019年，號稱能檢測學(xué)生學(xué)習(xí)注意力是否集中的BrainCo腦機接口頭環(huán)就引起了輿論的集體批判。實際上，BrainCo頭環(huán)并不能實現(xiàn)其宣稱的功能，但媒體普遍關(guān)注的是它在道德上是否合適，而非技術(shù)上是否可能實現(xiàn)，大眾的反感情緒可見一斑。無獨有偶，馬斯克旗下腦機接口公司Neuralink的實驗?zāi)壳斑€停留在用老鼠、猴子做實驗的階段，也受到了輿論廣泛的質(zhì)疑?？梢?，在世界范圍內(nèi)，腦機接口技術(shù)在道德上面臨的爭議都是相關(guān)從業(yè)者不可不面對的一大難題。

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