甘孜日報 2024年04月08日
有望成為促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、改善民生健康的未來(lái)產(chǎn)業(yè)
◎谷業(yè)凱 楊彥帆
右手戴上驅動(dòng)氣動(dòng)手套，穩穩握住水杯，拿起、喝水、放下……截癱患者老楊實(shí)現了自主“腦控”喝水。今年1月，首都醫科大學(xué)宣武醫院和清華大學(xué)團隊宣布，他們成功進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)微創(chuàng )腦機接口臨床試驗，患者行為能力取得突破性進(jìn)展。
用腦電活動(dòng)控制動(dòng)作、通過(guò)微小電流讓腦細胞和計算機之間“互動(dòng)”……這些過(guò)去只出現在科幻小說(shuō)里的場(chǎng)景，正在腦機接口技術(shù)的發(fā)展和應用中逐步走進(jìn)現實(shí)。腦機接口被稱(chēng)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機交互和人機混合智能的前沿技術(shù)，有望成為促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、改善民生健康的未來(lái)產(chǎn)業(yè)。
通過(guò)記錄和解讀大腦信號，實(shí)現大腦與設備間的信息交換
截癱患者老楊今年50多歲，此前因車(chē)禍引起頸椎處脊髓完全性損傷，四肢癱瘓長(cháng)達14年。2023年10月，首都醫科大學(xué)宣武醫院趙國光教授團隊、清華大學(xué)醫學(xué)院洪波教授團隊共同完成了無(wú)線(xiàn)微創(chuàng )腦機接口臨床試驗。試驗中，科研人員將2枚硬幣大小的腦機接口處理器植入老楊顱骨中，再通過(guò)采集顱內神經(jīng)信號，使他利用腦電活動(dòng)驅動(dòng)氣動(dòng)手套實(shí)現了自主“腦控”喝水。
據介紹，該系統采用無(wú)線(xiàn)微創(chuàng )設計，體內機埋在患者顱骨內，電極覆蓋在硬膜外（硬膜位于顱骨和大腦皮層之間，起到保護神經(jīng)組織作用），不損傷大腦細胞。使用時(shí)，體外機利用近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)供電和信號傳輸技術(shù)，隔著(zhù)頭皮給體內機供電，并接收腦內的神經(jīng)信號，傳送到電腦或者手機上，借助解碼算法實(shí)現腦機接口通信。
經(jīng)過(guò)數月的居家康復訓練，老楊抓握準確率超過(guò)90%，脊髓損傷的臨床評分和感覺(jué)誘發(fā)電位響應也有了顯著(zhù)改善。2023年12月，這套系統的第二例脊髓損傷患者植入手術(shù)在首都醫科大學(xué)附屬北京天壇醫院成功進(jìn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的康復訓練，患者不但能夠抓握水瓶，還可控制電腦屏幕上的光標移動(dòng)。
這兩項無(wú)線(xiàn)微創(chuàng )腦機接口臨床試驗分別通過(guò)宣武醫院、天壇醫院的倫理審查，并進(jìn)行了國際和國內植入醫療器械臨床試驗注冊。首都醫科大學(xué)宣武醫院院長(cháng)趙國光說(shuō)：“醫工交叉融合推動(dòng)了腦機接口的創(chuàng )新發(fā)展，該技術(shù)在幫助脊髓損傷、癲癇等腦疾病患者康復方面具有廣闊的應用前景?！?/span>
腦機接口在人或動(dòng)物大腦與外部設備之間創(chuàng )建了通信和控制“通道”，它通過(guò)記錄和解讀大腦信號，實(shí)現大腦與設備間的信息交換。
腦機接口又可分為輸出型和輸入型兩種。輸出型腦機接口主要由大腦向外部設備輸出通信或控制指令，在不依賴(lài)外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶(hù)的感知覺(jué)、表象、認知和思維等直接轉化為動(dòng)作。這種腦機接口較為常見(jiàn)，老楊使用的就是這種類(lèi)型的腦機接口。
還有一類(lèi)是輸入型腦機接口。它主要由外部設備或機器繞過(guò)外周神經(jīng)或肌肉系統直接向大腦輸入電、磁、聲和光等刺激或神經(jīng)反饋，以調控中樞神經(jīng)活動(dòng)，目前已在治療聽(tīng)覺(jué)障礙方面得到應用。
對于輸出型腦機接口來(lái)說(shuō)，如何獲取腦信號至關(guān)重要。作為腦機接口的關(guān)鍵采集器件，電極決定著(zhù)所采集腦信號的質(zhì)量和最終的控制效果。目前在技術(shù)路徑上，腦機接口又分為侵入式（有創(chuàng )）和非侵入式（無(wú)創(chuàng )）兩大方向。
侵入式腦機接口是指通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)的方式將能夠接收信號的電極植入腦中，這種技術(shù)需要把電極長(cháng)期放置在腦中。近年來(lái)，隨著(zhù)微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展，侵入式腦機接口向著(zhù)柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展，但依然無(wú)法覆蓋全腦范圍。非侵入式腦機接口不會(huì )破壞人的身體和組織，只在頭皮表面采集極其細微的大腦信號。這類(lèi)腦機接口具有可動(dòng)態(tài)監測全腦信號、系統簡(jiǎn)單易操作、生物相容性和安全性好等特點(diǎn)，但獲取的腦電信號容易受到外界干擾，對信號感知處理技術(shù)要求高。
醫療健康領(lǐng)域是腦機接口最主要的應用陣地。北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所聯(lián)合所長(cháng)羅敏敏說(shuō)：“包括對高位截癱患者進(jìn)行語(yǔ)言解碼、運動(dòng)解碼，治療癲癇、抑郁癥等疾病，甚至把圖像處理成電信號來(lái)刺激視覺(jué)皮層，讓盲人恢復一定的視覺(jué)。這些都是未來(lái)值得期待的腦機接口應用場(chǎng)景?！?/span>
我國腦機接口創(chuàng )新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續深入迭代，向著(zhù)規?；较虬l(fā)展
“意念控制”聽(tīng)起來(lái)很科幻，它是如何實(shí)現的？實(shí)際上，患者簡(jiǎn)單的一個(gè)動(dòng)作，卻是一個(gè)復雜的技術(shù)過(guò)程，也凝結著(zhù)很多領(lǐng)域科研人員的共同努力。
首先，腦機接口運轉包含記錄、解碼、控制和反饋4個(gè)階段。羅敏敏舉例，在自主“腦控”喝水的過(guò)程中，腦機接口記錄人的思維變化引起的神經(jīng)細胞電活動(dòng)，解碼后把信息傳輸給驅動(dòng)氣動(dòng)手套并控制其運動(dòng)，進(jìn)而得到視覺(jué)和觸覺(jué)上的反饋。
天津大學(xué)副校長(cháng)明東說(shuō)：“腦機接口綜合了醫學(xué)、計算機、電子、機械、材料等多個(gè)學(xué)科的先進(jìn)理論與前沿技術(shù)?！?/span>
近年來(lái)，隨著(zhù)生物醫學(xué)工程、神經(jīng)工程與康復工程、認知神經(jīng)科學(xué)與心理科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，腦機接口工程化進(jìn)度加快，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。在2014年巴西世界杯揭幕戰上，截癱青年朱利亞諾·平托就在腦機接口技術(shù)的輔助下為足球比賽開(kāi)球；2016年，在神舟十一號載人飛船飛行過(guò)程中，我國航天員完成了腦機交互技術(shù)的在軌驗證；國際上多個(gè)團隊通過(guò)腦機接口技術(shù)，幫助患者實(shí)現了“意念打字”“意念說(shuō)話(huà)”等功能……
近年來(lái)，我國腦機接口創(chuàng )新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續深入迭代，產(chǎn)品服務(wù)供給日益豐富，向著(zhù)規?；较虬l(fā)展。
2023年初，“智能腦機系統增強計劃”在北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所啟動(dòng)，力爭在3到5年內突破侵入式腦機接口方面的關(guān)鍵技術(shù)，并在臨床上實(shí)現初步應用。北京還采用“基金+企業(yè)”的組織模式，成立了北京北腦創(chuàng )業(yè)投資基金（有限合伙）和北京芯智達神經(jīng)技術(shù)有限公司。
目前，芯智達公司與國內多家高校院所合作，已布局立項10余個(gè)創(chuàng )新項目，各項研發(fā)工作取得了階段性進(jìn)展。芯智達公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監李園介紹：“我們研發(fā)的‘北腦一號’‘北腦二號’腦機系統，前者采用皮層電極技術(shù)，目前已完成柔性高密度腦皮層電極、高性能腦電數據采集設備等核心部件研發(fā)和動(dòng)物實(shí)驗驗證；后者對標國際先進(jìn)的高通量柔性微絲電極技術(shù)，結合大通道高速神經(jīng)電信號采集設備和運動(dòng)想象解碼算法，目前有線(xiàn)版本已實(shí)現獼猴對二維運動(dòng)光標的靈活‘腦控’攔截?！?/span>
天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊是國內最早從事腦機接口研究的團隊之一。明東介紹，“神工”系列產(chǎn)品實(shí)現了主動(dòng)康復訓練對皮層、肌肉活動(dòng)的同步整合與協(xié)同，取得了運動(dòng)康復領(lǐng)域的突破。比如，神經(jīng)調控式機械外骨骼系統“神工—神甲”，核心部件獲批國家醫療器械注冊證，關(guān)鍵技術(shù)在國內多家三甲醫院開(kāi)展了逾千例臨床試驗。
“我國腦機接口在軟件、關(guān)鍵算法、典型應用等方面均取得了一定的創(chuàng )新性突破?！泵鳀|說(shuō)，但腦機接口走向更廣泛的應用，還需要不斷探索創(chuàng )新，并通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗成效。
加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，培育高質(zhì)量復合型人才，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈
目前，腦機接口解碼的大部分仍是頭皮腦電，很多大腦內部的神經(jīng)元還是無(wú)法解析；應用層面更多停留在臨床試驗階段，還沒(méi)有形成大眾化、市場(chǎng)化的產(chǎn)品。
明東舉例，腦神經(jīng)信號的產(chǎn)生和表達是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，需要在繁雜的神經(jīng)表征中尋找到特定意圖對應的神經(jīng)活動(dòng)模式，并通過(guò)高效的算法把這些信號有效解析出來(lái)?！昂罄m還涉及神經(jīng)肌肉刺激、外部機械控制、給受試者呈現反饋等很多步驟，可以說(shuō)是一個(gè)復雜的閉環(huán)過(guò)程?！?/span>
我國高度重視腦機接口技術(shù)發(fā)展?！笆奈濉币巹澗V要提出，在類(lèi)腦智能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來(lái)產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來(lái)產(chǎn)業(yè)。羅敏敏認為，我國腦機接口單點(diǎn)技術(shù)突破加快、產(chǎn)業(yè)鏈較為齊全，但系統集成能力有待提升，專(zhuān)利多而不優(yōu)現象比較突出。未來(lái)應在明確任務(wù)導向、長(cháng)周期穩定支持的基礎上，加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，鼓勵開(kāi)展有組織科研，注重基礎研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與臨床實(shí)際相結合。加強主管部門(mén)之間的聯(lián)動(dòng)協(xié)調，促進(jìn)政策落地更具實(shí)效。
明東建議，要引導高水平大學(xué)通過(guò)設置交叉學(xué)科等方式，培育高質(zhì)量復合型人才。同時(shí)，鼓勵校企共建高水平科研創(chuàng )新平臺，聯(lián)合承接腦機接口領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)，解決產(chǎn)業(yè)化落地難題，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。要科學(xué)對待腦機接口研究成果，避免炒作、夸大、概念化腦機接口技術(shù)。
2023年9月，科技部等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《科技倫理審查辦法（試行）》明確規定，涉及以人為研究參與者的科技活動(dòng)，應當進(jìn)行科技倫理審查，且明確規定了高等學(xué)校、科研機構、醫療衛生機構、企業(yè)等是本單位科技倫理審查管理的責任主體。2023年12月，國家科技倫理委員會(huì )人工智能倫理分委員會(huì )編制《腦機接口研究倫理指引》， 為腦機接口研究合規開(kāi)展，防范腦機接口研究與技術(shù)應用過(guò)程中的科技倫理風(fēng)險，提出了指導。
羅敏敏表示，腦機接口發(fā)展面臨著(zhù)科技倫理、安全性、有效性驗證等方面的挑戰，需進(jìn)一步在技術(shù)提供方、使用者、政策制定者和社會(huì )公眾之間凝聚共識，充分了解潛在風(fēng)險和收益，給予腦機接口技術(shù)創(chuàng )新的合理靈活度，同時(shí)確保行業(yè)健康有序發(fā)展。
轉載自《人民日報》
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