國內(nèi)首例！“意念”操控，腦機(jī)接口技術(shù)成真
來源：數(shù)據(jù)觀 時間：2020-01-19 11:45:46 作者：陳駿佼
1月16日，一位高位截癱病人在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院一間病房內(nèi)，通過“意念”控制成功喝了可樂。實際上，這次臨床實驗是中國首次通過對一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入Utah陣列電極，從而意念控制機(jī)械手臂的三維運(yùn)動完成進(jìn)食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運(yùn)動。這一次研究的成功，也標(biāo)志著我國腦機(jī)接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國際先進(jìn)行列。
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曾經(jīng)在科幻電影中所見的腦機(jī)接口技術(shù)，《黑客帝國》、《阿凡達(dá)》等諸多電影中都是通過連接大腦，實現(xiàn)用意念操控“身體”在另一時空中的“奔跑”。而現(xiàn)在人們離這項技術(shù)越來越近，未來會有更多因故造成的癱瘓病人可以再次“奔跑”！
腦機(jī)接口技術(shù)，是由浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院張建民教授團(tuán)隊和浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團(tuán)隊在2012年動物實驗、2014年人腦初步實驗的基礎(chǔ)上共同研究的。此次，團(tuán)隊在高位截癱患者腦內(nèi)植入Utah陣列電極，然后用算法對電極收集到的腦神經(jīng)信號進(jìn)行分析，并輸出機(jī)械臂可以理解的指令信號，最終實現(xiàn)患者的“意念操控”。
研究回顧：
2012年，團(tuán)隊在猴子腦中植入微電極陣列，運(yùn)用計算機(jī)信息技術(shù)成功提取并破譯了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號，使猴子通過自身“意念”能直接控制外部機(jī)械手臂。
2014年，團(tuán)隊又在人腦內(nèi)植入皮層腦電電極，實現(xiàn)“意念”控制機(jī)械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運(yùn)動，創(chuàng)造了當(dāng)時的國內(nèi)第一。
關(guān)于腦機(jī)接口技術(shù)，就是在大腦和假肢等外部設(shè)備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實現(xiàn)雖然存在脊髓及運(yùn)動神經(jīng)通路損壞，但大腦皮層功能尚健全的情況下，腦部的信號也能通過計算機(jī)解讀，直接控制外部設(shè)備。
據(jù)了解，此次我國該腦機(jī)接口項目的成功主要取決于三個重要環(huán)節(jié)：微電極植入、神經(jīng)信號采集分析和人機(jī)訓(xùn)練。
第一步：微電極植入
接受此次腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究的志愿者張先生，是一位72歲高齡的退休教師、某中學(xué)校長。在兩年前因一場意外車禍，導(dǎo)致頸髓重度損傷，成了一名高位截癱患者，四肢無法活動，但大腦功能尚健全、意識清楚。
張先生控制機(jī)械臂喝可樂
在手術(shù)初期，團(tuán)隊就遇到了很大的挑戰(zhàn)，如何在減少損傷的情況下，把微電極無誤地植入患者大腦所在功能區(qū)成為很大的難題。大腦運(yùn)動皮層神經(jīng)元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。這個過程中，電極植入不能有毫厘之差。植入位置太淺或太深，都達(dá)不到效果，還會損傷其他神經(jīng)。
張建民教授團(tuán)隊為張先生手術(shù)
手術(shù)電極植入位置示意圖
傳統(tǒng)人工植入手術(shù)，精確程度沒法達(dá)到最佳狀態(tài)。團(tuán)隊利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人，準(zhǔn)確地將兩個微電極陣列送入既定位置，誤差僅在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機(jī)器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。
2019年8月底，團(tuán)隊通過精準(zhǔn)定位，順利完成了國內(nèi)首例開顱將Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢運(yùn)動的運(yùn)動神經(jīng)皮層的手術(shù)。由此，張先生開始了用意念與機(jī)械臂“對話”的生活。
第二步：腦神經(jīng)信號的采集和分析
第二步主要是完成腦神經(jīng)信號的采集和分析，在國際上已被報道的植入式腦機(jī)接口患者，均為中青年人。他們在體力、注意力、情緒配合等方面，也相對更穩(wěn)健，而老年人則相對較弱。而此次項目中的72歲高齡患者張先生，腦神經(jīng)信號的穩(wěn)定性有所減弱，國際上也尚無先例可循。
腦神經(jīng)信號采集反饋流程示意圖
腦機(jī)接口，不僅依賴材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等機(jī)器相關(guān)技術(shù)，更需要被試者的高度配合與規(guī)范化訓(xùn)練。如何把收集的神經(jīng)信號，準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化成機(jī)械臂的動作指令，既依賴于機(jī)器算法的設(shè)計，也會受到試驗者個體腦電信號特征的影響。
目前，全球尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號采集、解碼等分析手段。一開始，團(tuán)隊采用國外的幾套線性算法，但效果都不太好。后來，團(tuán)隊引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計了一套針對這位高齡患者的個性化解決方案。
第三步：如何實現(xiàn)“意念操控”
團(tuán)隊采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來跟蹤、點擊二維運(yùn)動及三維虛擬現(xiàn)實運(yùn)動中的球，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等9個方向的動作，最后才是模擬握手、飲水、進(jìn)食等動作。訓(xùn)練耗費(fèi)4個多月，才有了現(xiàn)在這樣令人激動的成果。
張先生接受訓(xùn)練
張先生也因此成為目前全球范圍內(nèi)，成功利用植入式腦機(jī)接口技術(shù)，實現(xiàn)肢體運(yùn)動功能重建的最高齡患者。
張先生用“意念”和研究團(tuán)隊握手張先生用“意念”和研究團(tuán)隊握手
盡管此類植入在國際上都處于試驗階段，效果也是非永久性的，但是腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用的成功，這類人群看到了提高生活質(zhì)量的希望，借助這項技術(shù)可以極大提升患者的生活質(zhì)量。也證明年我國腦機(jī)接口技術(shù)已然具備年實際應(yīng)用的能力，未來還有很多路要走，但是我們已經(jīng)邁出重要的一步！
國外案例
據(jù)相關(guān)資料顯示，目前國際上主攻方向是非入侵式腦機(jī)接口研究。2012年，國外科學(xué)家首次通過植入式腦機(jī)接口，使癱患病人可以操控機(jī)械手進(jìn)行喝水、進(jìn)食等動作。
而且，非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備已經(jīng)在CES 2020大會上展出。外國創(chuàng)企NextMind今年1月推出的非入侵式腦機(jī)接口開發(fā)套件，售價為399美元，已經(jīng)可以讓用戶通過大腦發(fā)出的視覺信號來控制計算機(jī)、AR/VR眼鏡等設(shè)備。NextMind是依靠機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建非侵入性神經(jīng)界面的初創(chuàng)公司之一。
NextMind非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備
據(jù)公開資料顯示，2019年9月，F(xiàn)acebook收購了Ctrl-labs，后者當(dāng)時正在開發(fā)一種肌電描記器腕帶，可以將肌肉神經(jīng)信號轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令。
而NextMind目前正在開發(fā)的無創(chuàng)設(shè)備，是一種腦電圖（EEG）讀取分析裝置，戴在人腦后部視覺皮層所在的部位。Next Mind在 CES 2020上獲得了“VR/AR最佳創(chuàng)新獎”和“可穿戴技術(shù)榮譽(yù)獎（Honoree in wearable technologies）”。NextMind目前由 15 人組成，分布在軟件、機(jī)器學(xué)習(xí)、硬件和游戲開發(fā)等領(lǐng)域。
NextMind的設(shè)備重約60克，具有8個電極，用于測量大腦活動。8個是保證數(shù)據(jù)不丟失情況下的最小電極數(shù)目。另外，真正實現(xiàn)突破的是NextMind可以讓電極本身獲取更多的神經(jīng)數(shù)據(jù)，從而提高機(jī)器學(xué)習(xí)的效果。他們使用了新的高靈敏度材料，使其設(shè)備的 SNR（信噪比）比臨床腦電圖提高了約4倍。并且電極的形狀很像梳子，可以穿過頭發(fā)觸達(dá)頭皮以獲得良好的信號。
NextMind 如何實現(xiàn)實時互動？
第一步解碼意圖輸出。NextMind希望可以直接通過大腦來實現(xiàn)實時交互。實現(xiàn)不僅是“看到的”，更是“想到的”。當(dāng)用戶專注于觀察某項事物時，這項事物的對應(yīng)信號就會反饋在大腦的視覺皮層，體現(xiàn)為腦電圖的獨(dú)特波動。大腦的視覺皮層不僅會接收眼睛輸入的信息，同時也會放大這些神經(jīng)信號。
第二步是解碼視覺想象力（visual imagination）。這樣即使用戶閉著眼睛，設(shè)備一樣可以知道用戶在想什么，也就是可以讀出腦海中的畫面。大腦視覺皮層既是外部世界信息輸入的區(qū)域，又是記憶、想象力的輸出區(qū)域。視覺皮層中提供視覺意識的神經(jīng)元就是用來處理外界信息的神經(jīng)元。解碼視覺意圖和解碼視覺想象力這兩條軌道將在同一硬件上一起應(yīng)用。不同的軟件和算法將針對性的處理不同的任務(wù)。
介于視覺信息和視覺想象這兩個極端之間的就是視覺注意力。人們對視覺注意力的控制是自上而下的，它受前額葉皮層等其他大腦區(qū)域的控制。視覺注意力的集中會增強(qiáng)一些特定的神經(jīng)元，這就是NextMind所要解讀的東西。
責(zé)任編輯：張薇