腦機接口不同路線：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，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，腦機接口（Brain Computer Interface， BCI）技術(shù)的進步能為他們的生活質(zhì)量帶來質(zhì)的改變，同時也將給他們的家人帶來福音。

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

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

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

首款腦機信號無線高帶寬、高精度、低功耗傳輸

BrainGate 公司 “無線腦機接口”（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 5cm 大、43g 重的小型裝置，代替了傳統(tǒng)腦機接口用于傳輸來自大腦內(nèi)部傳感器信號的電纜。無線發(fā)射器固定在使用者的頭部，與大腦運動皮層內(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 實驗室首次開發(fā)，實現(xiàn)了高帶寬、高精度、低功耗的無線信號傳輸。

試驗數(shù)據(jù)表明，兩個設(shè)備同時開啟可以從 200 個電極上以每秒 48 兆比特的速度記錄神經(jīng)信號，續(xù)航時間超過 36 小時。

兩名癱瘓試驗者使用 BWD 在一臺平板電腦上進行點擊操作和碼字，他們的點擊精度和碼字的速度非常接近。

“我們通過試驗證明，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、該項目研究員約翰·西默拉爾（ John Simeral ）說道。

中國科學(xué)院自動化研究所教授蔣田仔認為，這項研究最大的特點是實現(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?！盁o線傳輸大家都不陌生，但實現(xiàn)適用于人的高帶寬、低功耗的腦內(nèi)信號傳輸還是有很大的挑戰(zhàn)性?！?/p>

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 臨床試驗的負責(zé)人 Leigh Hochberg 說：“有了這套無線腦機接口系統(tǒng)，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式 —— 在家里、長時間地觀察試驗者大腦的活動。比如了解神經(jīng)信號如何隨時間演化。這將對我們設(shè)計和優(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能力?！?/p>

“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接口）的關(guān)鍵所在?！?該項目研究員 Nurmikko 說。

“我認為，該項研究是重要的技術(shù)性進步?！?清華大學(xué)助理教授眭亞楠對 DeepTech 表示。

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

蔣田仔認為，該研究下一步應(yīng)對如何實現(xiàn)更高通量的無線傳輸進行深化研究?！澳壳?，在犧牲了部分信號分辨率的情況下（16 位信號降至 12 位），做到了 200 個電極的無線傳輸，而當前微電極陣列正向高密度和高通量上發(fā)展?！?/p>

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 個記錄點，馬斯克的 Neuralink 公司已經(jīng)可以實現(xiàn) 3000 導(dǎo)的高效神經(jīng)信息采集。如何實現(xiàn)更高通量的無線傳輸，或許 5G 傳輸有可能達到，但還需要解決功耗的問題?！?/p>

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

“該研究采集到的信號通過無線發(fā)送到 PC 電腦進行解碼和處理，實現(xiàn)針對高通量數(shù)據(jù)的解碼算法片上運行和實時閉環(huán)的刺激調(diào)控，是未來發(fā)展趨勢?！?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，我們來討論一個高關(guān)注度的話題，隨著腦機接口的數(shù)據(jù)傳輸頻率越來越高、信號越來越強，會不會把大腦燒壞？

眭亞楠認為，腦機接口的研究有兩個主要方向。

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

眭亞楠認為，這類場景下的腦機接口作為神經(jīng)信號的接收器，不會主動對大腦進行信號功率輸入，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接口輸入大腦。

眭亞楠舉例說道，通過腦機接口技術(shù)進行神經(jīng)刺激治療，能幫助帕金森患者從不能正常行動的狀態(tài)變?yōu)槟苷Ｐ袆樱蛘邘椭c瘓的患者恢復(fù)運動能力，由于存在信號輸入能量的問題，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，腦機接口重要的研究和應(yīng)用方向?！?/p>

腦機接口不同路線：發(fā)展各有千秋

腦機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。微電極陣列可實現(xiàn)神經(jīng)元尺度的記錄，準確識別單個動作電位信號，并可根據(jù)動作電位的波形來判別神經(jīng)元種類，可以實現(xiàn)高時空分辨的腦機接口。這種方式信號質(zhì)量好，能實現(xiàn)更精準的腦神經(jīng)活動記錄與調(diào)控。

“由于排異反應(yīng)和可能的大腦損傷等風(fēng)險，目前侵入式腦機接口系統(tǒng)在動物上應(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腦信號進行檢測，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確率都差了很多。但是，非侵入式腦機接口的優(yōu)勢是無需動手術(shù)就能實現(xiàn)腦機打字、運動想象等應(yīng)用，直接從皮膚表面采集腦活動信號或進行神經(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，非侵入式腦機接口也存在明顯的問題，如神經(jīng)信號通過多層人體組織濾波后才到達接收端，信號質(zhì)量會明顯下降，因而獲得的神經(jīng)信號空間分辨率較低，也很難實現(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），信號的精度介于侵入式和非侵入式之間，雖無法記錄動作電位信號，但相較于 EEG 具有更高的空間分辨率和信號保真度。

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)險小于侵入式。

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

談及侵入式腦機接口技術(shù)的未來發(fā)展，眭亞楠認為，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，加強對患者的行為的認知及理解，從而形成閉環(huán)的神經(jīng)調(diào)節(jié)。

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

“非侵入式腦接口未來需要提高信號采集的時空精度，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 DeepTech 表示。

眭亞楠認為，對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、芯片等方面需要進行底層技術(shù)的提升。

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

“腦機接口技術(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。微電極陣列無法識別細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，腦機接口技術(shù)實現(xiàn)了人腦與外界的直接信息聯(lián)系，目前的技術(shù)大多基于腦信號的采集、解碼并控制外部的設(shè)備實現(xiàn)了 “腦→機” 的信息流?！拔磥砟X機接口將是‘腦?機’的雙向腦機接口，實現(xiàn)認知能力增強和自我功能調(diào)節(jié)?！?/p>

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

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