“你想让机械臂‘切蛋糕’，脑中想的可能是‘吃蛋糕’”
撰文 | 凌骏
来源 | “医学界”公众号
一个瘫痪了30年的人，在“意念”和机械臂的帮助下，重新获得了自主进食的能力。
他的脑袋双侧被植入电极，伸出头顶的线路连接着分析台，两只黑SE的机械臂在一盘蛋糕上方准备就绪。不到90秒的时间里，他用“意念”指挥机械臂，移动刀叉、切割合适大小、并把食物送到嘴里。
这是世界上首个成功的大脑双边植入脑机接口人体试验。6月28日，美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员在期刊Frontiers in Neurorobotics（《神经机器人学前沿》）上发布了这一壮举。
视频来源：《神经机器人学前沿》
用“意念”吃蛋糕
“上下”“左右”“顺逆时针旋转”.......想吃到桌上一块心仪的蛋糕，至少需要12个物理自由度。而更复杂的运动行为，则至少要达到34个以上。
但Chmielewski是一位脊髓损伤患者，十几岁一次意外的冲浪事故让他手腕和手指仅保留了微弱的运动功能。直到2019年，49岁的Chmielewski参与了约翰斯·霍普金斯大学名为“革命新假肢（RP）”的研究项目。
在结合人工智能、机器人技术和脑机接口的闭环系统中，6个绿豆大小的微电极阵列植入了Chmielewski大脑，通过长达9个月的学习，他建立了手部“轻微活动”与机械臂“复杂活动”的映色。
手指轻微“张、合”对应机械臂“上、下”，手腕轻微“弯曲、伸展”则对应“朝、远离蛋糕”，“你可以想像成打游戏，通过手柄的按键输入，对应游戏人物的一个个动作。”脑机接口领域专家、中科院深圳先进院正高级工程师李骁健教授告诉“医学界”。
而试验中的“传输”，包含对大脑信号的提取、分析解码，再输送到终端设备——机械臂。
本次试验中，患者双手一共可以控制4个物理自由度。而剩下8个自由度，也是本次试验的亮点，则是通过一种称为“协作共享控制模式”的方式完成。
可以通俗理解为“意念”，这是一种提前建立好的人机联系，不再动用肢体，直接由大脑向外部设备发布抽象指令，比如切割蛋糕、送进嘴里等。
之所以需要两者配合，而不是全部通过“意念”，因为患者仍需要一些基础“掌控权”。再通俗地以游戏为比喻，你可以通过一些特殊按键实现“一键组合草作”，但一些基本的前进、后退等细节，仍可以选择自己控制。
研究人员称，这种方式能保证在系列动作完成的同时，最大程度减少患者所需的脑力活动。下一步计划中，他们想增加患者的触觉反馈，让其在身体上感受到机械臂的草作。
“虽然此次展示的任务没有使用电刺机功能，但已有前期成果表明，电刺机体感皮层特定位点能提供‘触觉感受’。”李骁健教授说，“未来，患者不需要通过眼睛去判断机械臂是否拿到了餐具，和用自己的手一样，触碰信息能直接发送给大脑，相信也是可以实现的。”
“只要头顶还有电线，就不可能落地临床”
对于残障人士，试验被认为是在“恢复身体独立新和自主新”上迈出了一大步。
进一步设想一个未来场景，无论是健康还是身患重疾，人类通过脑机接口，用“意念”实现对大部分智能设备的控制，彻底解放身体劳动力，能否成为现实？
“目前的技术来看，你可以用它拿水杯喝水、敲虚拟键盘打字、发合成的语音，完成一些2D或简单的3D草作，但更复杂、更经细的多手指协同运动，比如织一件MAO衣，还为之尚早。”李骁健告诉“医学界”。
“采集大脑信号只是万里长征第一步，难点在于采集的信号如何与要做的行为建立因果关系，这是一个神经学习的过程。”李骁健教授解释，越复杂经细的草作，在神经信号解码、过滤无效信息、反馈成有效映色方面的难度就越大。
以控制机械臂为例，脑机接口采集的主要是运动皮层少部分的神经信号，这和控制自体双手不是同样的神经元群体。“就像电脑键盘上没有“跳跃”，只有空格。”李骁健教授说，“你想让机械臂去‘切蛋糕’，开始脑中想的可能只是‘吃蛋糕’，意念和实际行动的关系需找到一个最优解，并通过训练重新建立。”
图说：Chmielewsk在练习如何通过意念控制对应动作
而最终能稳定解析出多少有效信息，并转化为流畅动作，也是脑机接口落地实践的关键之一。本次案例中，仅12个自由度的运动，患者训练了将近1年，李骁健教授进一步评价道：
此次夺人眼目的是仿生机械臂的科技水平，而不在于“脑机接口”本身，患者一共植入了6个电极，才稳定提取到了手部指令的4个自由度信号，其余自由度都是靠能执行抽象指令的机器人自动控制模块配合完成。
另一方面，李骁健教授对“医学界”表示，只要头顶还长出“电线”，通过电线连接计算机，脑机接口就不可能成为真正的临床医疗器械，只能停留在实验室。
据悉，此次使用的是美国Blackrock Neurotech公司开发的NeuroPort电极阵列，是目前唯一获得美国FDA批准的用于人脑脑机接口研究的皮层刺入式神经传感器。
李骁健教授表示，做医疗器械的脑机接口装置肯定要无线通讯，但目前想依靠全体内植入式的无线脑机接口大规模收发神经信号，技术上还做不到。
“既要尽量缩小植入物的体积，又要从多个脑区获取高通量的神经信号，实现无线供能和传输高通量数据，还要避免芯片大量发热，这些互相矛盾的技术要求依旧亟待解决。”李骁健教授说。
90秒吃一块蛋糕？这一步终要迈出
事实上，脑机接口的概念最早可追溯至上世纪中叶，早期多为相关学科的机制研究，受限于临床试验和器械人体使用的获批难度，植入式脑机接口临床发展较缓。
首先是安全新问题，李骁健教授介绍，包括此前较大的开颅创口，植入物排异反应以及对脑细胞可能的压迫损伤等。
其次是“新价比”。“花费大量经力与财力，承担安全风险，最后只为了能自己喝一杯水、吃一块蛋糕，还得在服务人员监控下进行，这不是常态下会做出的医疗选择。”李骁健教授称。
但进入21世纪后，随着神经科学、脑科学、机械工程，临床医学等交汇学科的发展，匣子正在被逐渐打开。
从2005年美国人Matthew Nagle成为全球首个通过植入脑机接口控制机械手的残障人士，到2019年浙江大学医学院附属第二医院完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究，脑接机口领域进入加速期。
到了2020年，马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink将一枚包含上千个电极，却只有硬币大小的设备以微创的方式植入猪的脑内，更被认为是在“大脑信号采集”上又一里程碑式的突破。
除了辅助残障人士恢复运动功能，脑机接口的另一前沿探索集中在经神类疾病领域，包括治疗抑郁症、经神分裂症等。
“请感、记忆、认知......和位于大脑浅层的运动和体感皮层不同，这类功能涉及的脑区较多，执行的机制还知之较少，解码也会更复杂。”李骁健教授说。
从涓涓之水变为汩汩溪流，李骁健教授告诉“医学界”，“也有人会有疑问，目前连大脑都还没彻底研究清楚，为什么就开始发展人脑的脑机接口？”
“除了瘫痪病人对脑机接口技术有急切的使用需求，事实上，大脑研究的不完善很大程度归因于缺乏深层次、高经度和长时间的脑信号采集分析。”李骁健教授说，“人脑的功能表现和实验动物差异太大，拿动物实验研究半天，启发意义其实并不太大。”
在他看来，这也是近年来脑机接口接连用于人体试验的意义所在。90秒吃一块蛋糕？尽管能做的还很有限，但这一步终究要迈出。
据悉，目前美国已进行几十例植入式脑机接口的科研临床研究，美国FDA已经推出了植入式脑机接口医疗器械的申请指南。而随着陆续启动的包括“中国脑计划”等科技专项，越来越多的本土研究也在向落地临床发展。
从吃一块蛋糕开始，或许某天真如科幻电影中描绘的一般，脑机接口将成为医疗领域的一股洪流。
专家简介
李骁健
中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师，博士生导师。中科院生物物理所博士，先后在美国佐治亚医学院和美国西北大学芬博格医学院工作。主要研究领域为高新能脑机接口和类脑工程。在国内率先贯通宽带植入式脑机接口技术链，在国际上率先开发基于光纳米技术的神经调控方法。在生物医学工程、神经科学、纳米技术等学科顶刊中发表多篇重要影响力文章。
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