腦機(jī)接口不同路線：發(fā)展各有千秋

據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)，全球每年新增脊髓損傷患者超過 30 萬人。

在中國(guó)，脊髓損傷患者至少 200 萬，每年以 10-14 萬的速度遞增；帕金森患者超 300萬。

對(duì)于癱瘓、帕金森等神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病的患者來說，腦機(jī)接口（Brain Computer Interface， BCI）技術(shù)的進(jìn)步能為他們的生活質(zhì)量帶來質(zhì)的改變，同時(shí)也將給他們的家人帶來福音。

近日，BrainGate 公司實(shí)現(xiàn)了全球首次腦機(jī)信號(hào)無線傳輸，并且高帶寬、高精度、低功耗。該系統(tǒng)是一個(gè)完全侵入式的設(shè)備，以傳輸植入電極記錄的大腦皮層全頻譜信號(hào)。

使用者只需要在腦海中 “想一下”，就可以通過操控計(jì)算機(jī)完成任務(wù)，比如在電腦屏幕上打字、操控機(jī)械臂完成喝水、吃飯等動(dòng)作。

相關(guān)論文以 “Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia” 為題在 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 發(fā)表。

“皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口正在從有線電纜演變至使用微型無線發(fā)射器，這項(xiàng)研究可能是為數(shù)不多的、能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（包括在實(shí)際使用腦機(jī)接口期間）捕獲全頻譜皮層信號(hào)的研究之一。” 斯坦福大學(xué)博士后、現(xiàn)任蘋果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 在接受媒體采訪時(shí)表示。

首款腦機(jī)信號(hào)無線高帶寬、高精度、低功耗傳輸

BrainGate 公司 “無線腦機(jī)接口”（BWD）系統(tǒng)，一部分是位于大腦皮層的電極陣列，而另一部分則是位于體外的無線發(fā)射器。

該無線發(fā)射器是一個(gè) 5cm 大、43g 重的小型裝置，代替了傳統(tǒng)腦機(jī)接口用于傳輸來自大腦內(nèi)部傳感器信號(hào)的電纜。無線發(fā)射器固定在使用者的頭部，與大腦運(yùn)動(dòng)皮層內(nèi)的電極陣列相連。

BWD 系統(tǒng)由布朗大學(xué)工程學(xué)院教授 Arto Nurmikko 實(shí)驗(yàn)室首次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高帶寬、高精度、低功耗的無線信號(hào)傳輸。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，兩個(gè)設(shè)備同時(shí)開啟可以從 200 個(gè)電極上以每秒 48 兆比特的速度記錄神經(jīng)信號(hào)，續(xù)航時(shí)間超過 36 小時(shí)。

兩名癱瘓?jiān)囼?yàn)者使用 BWD 在一臺(tái)平板電腦上進(jìn)行點(diǎn)擊操作和碼字，他們的點(diǎn)擊精度和碼字的速度非常接近。

“我們通過試驗(yàn)證明，這套無線系統(tǒng)在功能上與有線系統(tǒng)非常接近。” 布朗大學(xué)工程助理教授、該項(xiàng)目研究員約翰·西默拉爾（ John Simeral ）說道。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所教授蔣田仔認(rèn)為，這項(xiàng)研究最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了適用于人的高速無線傳輸，解除了線纜的束縛，從而讓患者能自由地活動(dòng)?！盁o線傳輸大家都不陌生，但實(shí)現(xiàn)適用于人的高帶寬、低功耗的腦內(nèi)信號(hào)傳輸還是有很大的挑戰(zhàn)性。”

布朗大學(xué)工程學(xué)教授、布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所的研究員、BrainGate 臨床試驗(yàn)的負(fù)責(zé)人 Leigh Hochberg 說：“有了這套無線腦機(jī)接口系統(tǒng)，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式 —— 在家里、長(zhǎng)時(shí)間地觀察試驗(yàn)者大腦的活動(dòng)。比如了解神經(jīng)信號(hào)如何隨時(shí)間演化。這將對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)和優(yōu)化解碼算法帶來非常大的幫助，為癱瘓患者重建無縫、直觀、可靠的溝通能力和行動(dòng)能力。”

“我們論文中描述的無線技術(shù)有助于我們發(fā)現(xiàn)新一代神經(jīng)技術(shù)（比如全植入式高通量無線腦機(jī)接口）的關(guān)鍵所在。” 該項(xiàng)目研究員 Nurmikko 說。

“我認(rèn)為，該項(xiàng)研究是重要的技術(shù)性進(jìn)步。” 清華大學(xué)助理教授眭亞楠對(duì) DeepTech 表示。

這種高帶寬無線信號(hào)使得基礎(chǔ)人類神經(jīng)科學(xué)以及臨床研究成為可能，而有線的腦機(jī)接口想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很難。

蔣田仔認(rèn)為，該研究下一步應(yīng)對(duì)如何實(shí)現(xiàn)更高通量的無線傳輸進(jìn)行深化研究?！澳壳埃跔奚瞬糠中盘?hào)分辨率的情況下（16 位信號(hào)降至 12 位），做到了 200 個(gè)電極的無線傳輸，而當(dāng)前微電極陣列正向高密度和高通量上發(fā)展。”

他舉例說道，“例如，倫敦大學(xué) 2017 年發(fā)布的第一代 Neuropixels 硅探針，單柄就具有 1000 個(gè)記錄點(diǎn)，馬斯克的 Neuralink 公司已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) 3000 導(dǎo)的高效神經(jīng)信息采集。如何實(shí)現(xiàn)更高通量的無線傳輸，或許 5G 傳輸有可能達(dá)到，但還需要解決功耗的問題?！?/p>

此外，目前的無線信號(hào)存在易受到遮擋問題，該研究通過布置多個(gè)天線或改變患者姿勢(shì)部分解決。

“該研究采集到的信號(hào)通過無線發(fā)送到 PC 電腦進(jìn)行解碼和處理，實(shí)現(xiàn)針對(duì)高通量數(shù)據(jù)的解碼算法片上運(yùn)行和實(shí)時(shí)閉環(huán)的刺激調(diào)控，是未來發(fā)展趨勢(shì)?！?蔣田仔說。

圖丨用于雙陣列的有線和無線系統(tǒng)的組件記錄（來源：IEEE）

那么，我們來討論一個(gè)高關(guān)注度的話題，隨著腦機(jī)接口的數(shù)據(jù)傳輸頻率越來越高、信號(hào)越來越強(qiáng)，會(huì)不會(huì)把大腦燒壞？

眭亞楠認(rèn)為，腦機(jī)接口的研究有兩個(gè)主要方向。

一是從內(nèi)到外的人腦信息輸出和解讀（decode）。即大腦里的信號(hào)如何輸出、如何解讀、怎樣用大腦里的信號(hào)直接控制外部的設(shè)備等。

眭亞楠認(rèn)為，這類場(chǎng)景下的腦機(jī)接口作為神經(jīng)信號(hào)的接收器，不會(huì)主動(dòng)對(duì)大腦進(jìn)行信號(hào)功率輸入，僅有伴生的熱功率。只要電極-芯片系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)合格，一般不存在 “燒壞大腦” 的問題。

二是從外至內(nèi)的信息輸入（encode），將信息和能量通過腦機(jī)接口輸入大腦。

眭亞楠舉例說道，通過腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)刺激治療，能幫助帕金森患者從不能正常行動(dòng)的狀態(tài)變?yōu)槟苷Ｐ袆?dòng)，或者幫助癱瘓的患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，由于存在信號(hào)輸入能量的問題，也就存在安全的問題。

“結(jié)合神經(jīng)調(diào)控、人工智能技術(shù)做有安全保障的系統(tǒng)性治療方法，腦機(jī)接口重要的研究和應(yīng)用方向?！?/p>

腦機(jī)接口不同路線：發(fā)展各有千秋

腦機(jī)接口的方式分為侵入式、非侵入式和微侵入式（半侵入式），根據(jù)各自特點(diǎn)發(fā)展各有千秋。

（一）侵入式

侵入式主要是指微電極陣列（MEA）、立體腦電（SEEG），電極需要植入腦組織內(nèi)部。微電極陣列可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元尺度的記錄，準(zhǔn)確識(shí)別單個(gè)動(dòng)作電位信號(hào)，并可根據(jù)動(dòng)作電位的波形來判別神經(jīng)元種類，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨的腦機(jī)接口。這種方式信號(hào)質(zhì)量好，能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的腦神經(jīng)活動(dòng)記錄與調(diào)控。

“由于排異反應(yīng)和可能的大腦損傷等風(fēng)險(xiǎn)，目前侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)在動(dòng)物上應(yīng)用較多，相關(guān)人體研究目前僅限于神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病患者等臨床特殊群體。” 眭亞楠說。

（二）非侵入式

非侵入式是指在顱外對(duì)腦信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，手段包括 EEG、MEG 、fNIRS，能記錄腦部大范圍、低空間精度的狀態(tài)變化。

相較侵入式信息的精度和解碼準(zhǔn)確率都差了很多。但是，非侵入式腦機(jī)接口的優(yōu)勢(shì)是無需動(dòng)手術(shù)就能實(shí)現(xiàn)腦機(jī)打字、運(yùn)動(dòng)想象等應(yīng)用，直接從皮膚表面采集腦活動(dòng)信號(hào)或進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控，這種方式可避免因手術(shù)造成的腦損傷和感染。

“同時(shí)，非侵入式腦機(jī)接口也存在明顯的問題，如神經(jīng)信號(hào)通過多層人體組織濾波后才到達(dá)接收端，信號(hào)質(zhì)量會(huì)明顯下降，因而獲得的神經(jīng)信號(hào)空間分辨率較低，也很難實(shí)現(xiàn)靶向神經(jīng)調(diào)控。” 眭亞楠說。

（三）微侵入式（半侵入式）

微侵入式指皮層腦電（ECOG），信號(hào)的精度介于侵入式和非侵入式之間，雖無法記錄動(dòng)作電位信號(hào)，但相較于 EEG 具有更高的空間分辨率和信號(hào)保真度。

微侵入式仍需打開顱骨植入電極，位置較淺，位于顱骨內(nèi)部、硬腦膜或蛛網(wǎng)膜上，并不植入腦組織內(nèi)部，所以手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小于侵入式。

腦機(jī)接口的未來：有望成為治療神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病的最直接途徑

談及侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的未來發(fā)展，眭亞楠認(rèn)為，可以通過提升神經(jīng)接口（電極）的可提供刺激或者信息傳輸?shù)膹?fù)雜度，加強(qiáng)對(duì)患者的行為的認(rèn)知及理解，從而形成閉環(huán)的神經(jīng)調(diào)節(jié)。

蔣田仔認(rèn)為，更高密度、更高通量、更柔軟（長(zhǎng)時(shí)間記錄），以及能夠長(zhǎng)期地記錄單一腦區(qū)乃至全腦范圍內(nèi)全部的神經(jīng)信息是侵入式腦機(jī)接口的未來發(fā)展方向。同時(shí)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)手段來處理采集到的海量神經(jīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確解碼。

“非侵入式腦接口未來需要提高信號(hào)采集的時(shí)空精度，抑制環(huán)境噪聲干擾，提高可靠性和精確度。與低功耗高帶寬的無線傳輸相結(jié)合，從而大大提高了易用性。” 蔣田仔對(duì) DeepTech 表示。

眭亞楠認(rèn)為，對(duì)于非侵入式的未來發(fā)展，一方面，在設(shè)備、材料、神經(jīng)接口、芯片等方面需要進(jìn)行底層技術(shù)的提升。

另一方面，需要對(duì)神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行更為深入的研究，從而更有針對(duì)性地提出對(duì)腦機(jī)接口系統(tǒng)、算法等方面的需求，也為人工智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更多啟發(fā)和借鑒。

“腦機(jī)接口技術(shù)，尤其是神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，有望成為治療神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病的最直接途徑?！?眭亞楠說。

微電極陣列開始與光學(xué)結(jié)合，形成多功能、多模態(tài)的神經(jīng)研究工具。微電極陣列無法識(shí)別細(xì)胞類型以及周圍神經(jīng)元的復(fù)雜樹突和軸突，而光學(xué)記錄和刺激已被證明是克服這些局限性的有效方法。

將具有優(yōu)異時(shí)間分辨率和信噪比（SNR）的微電極陣列與具有出色空間分辨率的光學(xué)探測(cè)相結(jié)合，將使我們能以前所未有的精度去探究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的功能連接。

蔣田仔表示，腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人腦與外界的直接信息聯(lián)系，目前的技術(shù)大多基于腦信號(hào)的采集、解碼并控制外部的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了 “腦→機(jī)” 的信息流?！拔磥砟X機(jī)接口將是‘腦?機(jī)’的雙向腦機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力增強(qiáng)和自我功能調(diào)節(jié)?！?/p>

原文標(biāo)題：高精準(zhǔn)、低功耗無線腦機(jī)接口系統(tǒng)，將神經(jīng)損害患者“心動(dòng)”變“身動(dòng)”！專家：腦機(jī)接口有望成為治療神經(jīng)疾病的最直接途徑

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