腦機接口的物理原理與技術(shù)探索

原文作者：李驍健 編譯

腦機接口(brain-computer interface，BCI)是大腦和外部設(shè)備(通常是計算機)之間的橋梁。腦機接口收集、分析并將來自大腦的電信號轉(zhuǎn)換為計算機可以理解和執(zhí)行的命令。它也可以用外部信號調(diào)節(jié)大腦活動。腦機接口是神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)的結(jié)合，它可以改善嚴(yán)重疾病患者的生活。在機器人、神經(jīng)科學(xué)、科技、游戲和計算機等領(lǐng)域腦機接口也有著應(yīng)用。

人類的大腦是一臺驚人而復(fù)雜的機器。人類大腦皮層中有超過800億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元有1000個突觸，我們的大腦每秒處理大約1億比特的信息。想象一下，在大腦進行思考時，去實時地測量、提取和解釋大腦中的所有信號。從《X戰(zhàn)警》到《黑客帝國》，對大腦的研究曾經(jīng)僅限于科幻小說領(lǐng)域，但是今天，人類已經(jīng)可以將大腦連接到電腦來控制機械手臂，或?qū)⒛愕南敕ǚg成文字。 在過去的25年里，癱瘓的人通過腦機接口實現(xiàn)了僅憑思想來操作計算機。他們恢復(fù)了因中風(fēng)而喪失的語言能力；肢體喪失功能或癱瘓的人借助腦機接口重新發(fā)揮了肢體功能，或是操作機械臂和機械手。腦機接口技術(shù)能夠診斷和治療癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至有望讓盲人重見光明。然而大多數(shù)腦機接口治療需要做腦外科手術(shù)，把電極放置在大腦的表層(皮層)或更深的地方，這種操作可能會引起出血或感染的風(fēng)險。而且研究人員目前還不清楚植入的電極對腦組織造成的影響和潛在的損害。就目前來看，電子植入物還無法安全可靠地幫助數(shù)百萬潛在受益者。事實上，全世界大約只有50名有嚴(yán)重行動受限疾病(例如癱瘓)患者參與了植入實驗。因為只有在所有其他治療都失敗或是做試驗的前提下，患者的植入手術(shù)才會被允許。對這些人來說，改善低質(zhì)量生活的收益遠大于潛在的危害。 運用物理原理和方法可能會使腦機接口設(shè)備的使用更安全、更耐用、更廣泛，比如改進腦機接口的植入方法和材料。我們通過光、磁場或超聲波與大腦相互作用來避免或盡量減少腦部手術(shù)的思路可能更為重要。無創(chuàng)、無線和便攜或可穿戴的腦機接口設(shè)備可以作為大腦的研究工具和醫(yī)療器械，并且可以日常使用。

簡要的歷史

從古代到19世紀(jì)，醫(yī)生和實驗人員為醫(yī)學(xué)治療嘗試了各種實驗，試圖改變大腦的電生理活動。1924年，德國精神病學(xué)家漢斯·伯格利用放置在病人頭骨上的電極記錄到腦電活動，發(fā)明了腦電圖(EEG)技術(shù)。20世紀(jì)70年代，物理和計算機學(xué)家Jacques Vidal演示了通過思想控制外部設(shè)備的方案，即佩戴了腦電圖交互設(shè)備的受試者只通過思想來移動電腦屏幕上顯示的光標(biāo)。 腦電圖是一種有價值的用于診斷癲癇等疾病的非侵入式工具。它能幫我們確定癲癇患者的病因和類型，也能用在癡呆、腦腫瘤和腦震蕩等疾病的研究上。由于腦電圖是對大群神經(jīng)元進行采樣，信噪比很低，很難將這些信號與特定的腦活動聯(lián)系起來。而植入式電極可以采集選定的神經(jīng)元信號?，F(xiàn)在許多研究人員和臨床醫(yī)生使用一種叫“Utah陣列”的植入式電極陣列。這是一種由100個p型硅電極(10×10結(jié)構(gòu))組成的硅電極陣列，電極間隔400 μm，放置在4×4 mm的絕緣基板上。電極長度為0.5—1.5 mm，頂端是鉑或氧化銥。全世界約有30名患有癱瘓的人安裝了這種裝置。他們借助這種植入物用自己的思想控制電腦、玩電子游戲和控制機械臂。但這種侵入性技術(shù)對身體的長期影響還沒完全探明。

減少侵入性

電極等人工植入物在大腦中可能引發(fā)免疫反應(yīng)，使附近的組織發(fā)炎并留下疤痕。剛性電極和大腦軟組織間的機械失配性加劇了免疫反應(yīng)，反過來也降低了電極的性能。尋找耐用的、生物相容的、適用于電極和基板的電性能的材料，成為物理學(xué)和材料學(xué)面臨的一個挑戰(zhàn)。比較有希望的候選材料包括柔韌的導(dǎo)電聚合物以及極薄的電導(dǎo)體，如碳納米管和硅納米線等。 通過改進現(xiàn)有的醫(yī)療技術(shù)也可以降低手術(shù)風(fēng)險，比如一種安裝在永久植入大腦血管內(nèi)支架上的電極——支架電極記錄陣列，它也可以探測到大腦信號，并將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給電腦。由于神經(jīng)電極具有高空間分辨率和快速響應(yīng)的特點，無論采用哪種植入形式，基于電極的腦機接口都將繼續(xù)發(fā)揮著重要作用。與此同時非侵入性技術(shù)也在迅速發(fā)展中。

光子探測大腦

在電磁波譜中，近紅外光(NIR)的波長在700—1400 nm之間，只要功率密度控制在每平方厘米毫瓦以下，就可以穿過頭骨并穿透大腦幾厘米深，且不會造成傷害。一種被稱為“光生物調(diào)節(jié)”的非侵入性近紅外方法已經(jīng)表明可以刺激大腦。光被認為可以增強細胞功能或減少炎癥，但仍需要更多的研究來確定其機制。 第二種非侵入性方法被稱為“功能性近紅外光譜”(fNIRS)，該方法使用近紅外光測量大腦血液循環(huán)中血紅蛋白吸收光的變化。因為脫氧血紅蛋白吸收近紅外光的方式與氧合血紅蛋白吸收近紅外光的方式不同，該技術(shù)可以用來繪制大腦活動圖譜。測量兩個不同波長近紅外光在大腦特定部位的不同衰減，可以顯示出不同腦區(qū)域的活躍度。由于含氧血流的形成過程需要幾秒鐘，fNIRS信號的響應(yīng)速度如果用于控制外部設(shè)備就太慢了，但它提供了比腦電圖更高的空間分辨率和更好的信噪比，可以更準(zhǔn)確地定位大腦活動。fNIRS頭盔甚至可以在自由移動中監(jiān)測大腦活動。 一種被稱為“事件相關(guān)光信號”(EROS)的方法可以用紅外光測量大腦皮層組織光學(xué)特性的變化從而實現(xiàn)更快的測量。當(dāng)神經(jīng)元活躍時，光與神經(jīng)組織的相互作用會發(fā)生變化，光散射增加，延長了光子穿過大腦的路徑，從而延遲了到達探測器的時間。

有磁性的大腦

另一種追蹤大腦神經(jīng)活動的非侵入性方法是“功能性磁共振成像”(fMRI)。常規(guī)的核磁共振成像是在強磁場中檢測體內(nèi)水和脂肪中質(zhì)子的行為，從而對身體結(jié)構(gòu)成像。fMRI檢測的是腦部血流信號，它取決于血紅蛋白的氧合水平。與fNIRS一樣，fMRI也可以標(biāo)記神經(jīng)活動的區(qū)域，而且空間分辨率達到1 mm。信號響應(yīng)速度也是幾秒，對于大腦控制外部設(shè)備來說還是太慢了。而且fMRI還需要大型、昂貴的超導(dǎo)磁體裝置。 非侵入性的“腦磁圖”(MEG)具有更快的響應(yīng)時間，它檢測的是飛特斯拉級的神經(jīng)活動磁場，這種磁場由活躍神經(jīng)元間的離子流產(chǎn)生。放置在頭皮附近的敏感超導(dǎo)量子干涉(SQUID)設(shè)備能夠測量這種磁場，但要防止磁干擾，這個設(shè)備需要放置在屏蔽室內(nèi)。MEG能提供1—2 mm的空間分辨率和毫秒級的響應(yīng)時間，但它也需要龐大的設(shè)備和高額的運行成本。 “光泵磁強計”(OPM)是一種新型的探測器，它能在室溫下測量大腦的磁場。OPM中有一個充滿堿金屬原子蒸氣的小腔室。用一個調(diào)諧到特定量子躍遷的激光二極管對蒸氣進行光學(xué)泵浦而使原子磁矩對齊。這個磁化與大腦磁場相互作用，改變了已經(jīng)由探測器確定過的蒸氣的不透明度，從而測量到腦的磁場。

傾聽大腦

超聲波技術(shù)作為一種便攜式無創(chuàng)方法已被廣泛應(yīng)用于身體結(jié)構(gòu)成像。在過去的十年里，這項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到“快速功能超聲”(fUS)階段，即利用腦血流的多普勒測量來識別活躍的神經(jīng)元。在fUS中，探頭產(chǎn)生超聲平面波，并通過數(shù)百個通道收集信號。隨后計算機合成聚焦波并分析數(shù)據(jù)從而快速生成大腦功能的高分辨率圖像。超聲也能用于經(jīng)顱超聲刺激(TUS)，這是一種調(diào)節(jié)神經(jīng)活性的方法，具有定位到大腦內(nèi)幾立方毫米范圍的精度。

非侵入式腦機接口的未來

非植入的物理方法具有最小的侵入性，可以使腦機接口更安全、更便宜，以及更廣泛地用于醫(yī)療。它們現(xiàn)在作為植入式的補充，或許有一天能取代植入式。但是非侵入式技術(shù)由于遠沒有達到植入式技術(shù)所能達到的空間分辨率，其應(yīng)用于醫(yī)療場景還有很長的路要走。著名神經(jīng)科學(xué)家克里斯托夫·科赫(Kristof Koch)表示，未來擁有一個安全的腦機接口，將大腦與計算機連接起來，人們可以直接將信息下載到大腦中，這將是多么奇妙。 隨著消費型神經(jīng)技術(shù)的興起，神經(jīng)倫理學(xué)家指出，如果沒有有效的監(jiān)管，可能會帶來隱私和精神控制等方面的社會問題。非侵入式腦機接口發(fā)展的這些年里，科研人員已經(jīng)極大地推進了大腦的研究和治療，并用以幫助嚴(yán)重殘疾人恢復(fù)自理。與此同時，科研人員也應(yīng)該意識到將非侵入式設(shè)備用在實驗室和臨床之外可能引發(fā)的倫理困境。

審核編輯：黃飛