元宇宙的终极形式，竟然是脑机接口？

   2022年11月12日，“科普中国-我是科学家”第42期“未来进行时”现场，中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师，深港脑科学创新研究院研究员李骁健带来演讲《修一座从脑到四肢的桥》。

     以下为李骁健演讲实录：
     大家好，我研究的领域是高性能脑机接口和类脑工程，今天非常高兴有机会能参加“科普中国-我是科学家”栏目，给大家介绍脑机接口。
     大家在现实中很难接触到脑机接口，为了给大家一个比较清晰的感性认识，我们先从科幻电影来讲。
     在电影《阿凡达》中，潘多拉基地给一位残疾的美国士兵培养了一个人造人，当这个士兵进入睡眠舱，将自己的意识传递给这个人造人时，这个人造人就能被这个士兵的意识所控制了，这叫意识替换。
     意识替换|《阿凡达》剧照
     同样在《阿凡达》中，人造人骑着当地潘多拉星的飞龙，二者通过“辫子”联系在一起，人造人通过意念来控制这个飞龙，这叫做意识对接。对于人类目前的技术而言，我们还搞不清楚意识替换该怎么弄，不过意识对接看起来较为合理，可惜的是地球上的生物缺乏能够“对接”的器官。也就是说，目前这两种情况是完全科幻的，离我们的生活很远的。
     意识对接|《阿凡达》剧照
     而在电影《阿丽塔：战斗天使》中，大夫把人体的脑神经和机器嫁接在了一起。这种对接方式在生理角度上而言较为可行，像我一样研究脑机接口的很多科研工作者，就在努力让类似的方式走进现实。
     脑神经与电子装置对接|《阿丽塔：战斗天使》剧照
     那么，到底什么是脑机接口呢？实际上，脑机接口就是指大脑与外界直接进行信息通讯的一种方式。脑机接口技术可以通过计算机作为信息的中介，帮助大脑实现和外界信息的直接通讯。
     那为什么要做脑机接口呢？我先举一个罕见病的例子，渐冻症。目前来说，常规的治疗方案都没有办法让渐冻症患者恢复活动能力，但脑机接口或许可以。    2012年，第一个人脑控机器人出现了，通过头上的“插头”，患者可以把脑信号传给计算机，进而可以通过集中意念来控制机械臂，抓住水瓶，放到嘴边喝水。这是怎么实现的呢？
2012年第一个人脑控机器人
     我们的大脑是由相对独立的几个分区组成的，比如颞叶，顶叶，额叶，枕叶，小脑和脑干等。这些区域实际上是不能拆分的，它们必须作为一个整体才能发挥出正常的脑的功能。
     大脑的基本结构|李骁健供图
     大脑要想实现复杂功能，主要依靠的是很多的神经元。我们的大脑是由近千亿个神经元组成的，而每个神经元都在进行信息的接收、处理和转化工作。这些神经元们通过级联形成了一个通讯网络，当这个庞大规模的神经元形成一个交联网络时，就可以实现复杂信息的处理了。
     如果想获得这些神经元传递的信息，该怎么做呢？我们想的办法就是在大脑里放入传感器，监听这些神经元的活动。可是神经元那么多，传感器应该放在哪儿呢？
     讲这个事之前，我们先来了解一下体育场效应。大家去球场看球时，可以发现，前排看球看得更清楚；裁判员的位置可以自由活动，能辨识每一个球员的动作、声音；后排可以看到整个球场乃至观众席；空中视野更开阔。那么观众买票时买哪里的票呢？很显然，当我们是去看球，而不是看球场时，就会想买前排的票。
     对于大脑，也是一样的。在采神经元的信号时，我们比较希望把这个传感器放在离神经元更近的位置，因为离得越近，清晰度就越高。
     目前，脑机接口有三种常见的传感器置放位置。
     一种叫做EEG，是指把传感器放在头皮上。这个位置类似于在空中鸟瞰球场。EEG的方式不会对身体产生创伤，但离脑神经较远，信号清晰度较差。
     第二种叫做ECoG，是指把传感器贴在脑皮层表面。ECoG的优点是不会扎破脑组织，跟EEG比起来信号清晰度高很多。
     第三种就是“刺进去”的情况了。刺入式是科研脑机接口领域的主流方式，这种方式所获取的信号是清晰了不少，但对脑组织会有一定的刺入损伤，不能大规模使用。    就目前来说，神经信号的采集是一个“鱼和熊掌不可兼得”的问题。选择哪种方式好，就需要判断谁是“熊掌”谁是“鱼”。
     传感器（神经电极）离神经元越近，清晰度越高|李骁健供图
     最近比较火的Neuralink脑机接口公司，采用的就是这种刺入式的电极。Neuralink系统是一种非常小巧的系统，实现了微型化。这个微型系统中有电极传感器，也有专用的处理器芯片。Neuralink系统一共展示了两款系统，一种是有线的系统，另一种是无线的系统。有线和无线系统的植入过程一样，但传输信息的方式不一样。无线版的优点在于脑子上不需要“拽线”，可以自由活动，但这也导致了采集的数据需要做很大的压缩。无线版采用蓝牙通讯，蓝牙的无线传输带宽比较低，但对执行简单的脑控任务来说是够用的。

    Neuralink芯片展示|Neuralink
     在中国，我们也有自己研发的宽带植入式脑机接口系统了，比如我正在做的植入式脑机接口的项目。在我做的这个项目中，传感器用的是不刺入脑组织中的那种，用的是贴在脑皮层表面的柔性电极网。
     我们另一个研究成果是脑机接口专用芯片。和Neuralink芯片不同，我们没有在一个芯片里放太多的信号采集通道，而是增加了16个性能很强劲的电刺激通道。也就是说，我们这个芯片不光能采集神经信号，更能同时把这个信号写到脑神经中去的，读和写的功能可以一起完成。
  李骁健团队研发的脑机接口专用芯片|李骁健供图
     我们实验室最近也研发了几款，具有更高时空精度的微型ECoG电极阵列，采用了最先进的纳米复合增强技术，采集的神经信号有更多的细节信息，对脑信息的解码具有很大的帮助，应该会比较适合用在脑机接口中。另外，我们创立了光纳米神经遥控技术，这样未来我们就有可能制成那种免手术植入的全无线的脑机接口系统。
     植入式脑机接口的里程碑，患者通过虚拟键盘打字|图片来源见水印
     植入式脑机接口已经有几十年的研究历史了，从上个世纪的六七十年代开始，为了帮助残疾退伍军人实现生活自理，美国政府开始资助研究运动脑机接口技术，主要针对的是治疗瘫痪这个角度。
     除了之前提到的例子，在2016年，第一个有触觉的人脑控机器人出现了。一名患者因车祸出现了下肢瘫痪，上肢也不大能动，他决定接受植入式脑机接口手术。手术后，这个患者控制机械手时比之前提到的例子要灵活，就是因为增加了触觉信息。这位患者名叫内森，在2016年还接受了美国总统奥巴马的接见，这也是脑机接口发展中一个重要的里程碑事件。
     脑机接口还有另外一种方式，就是通过功能电刺激，驱动自己“麻醉”的胳膊和手完成一些脑控动作。所谓的功能电刺激，就是通过设备上的电极头，刺激肌肉群，然后动作就能做出来。
     回到最开始，我们说的渐冻症患者的例子。在2017和2018年，斯坦福大学研究团队展示了脑控敲击虚拟键盘，以及上网发邮件的一些成果。这对于渐冻症患者回归社交活动来说，是一种希望。

    2019年第一个人脑神经解码语音合成器
     美国加州大学旧金山分校公布的一项研究表明，我们可以对神经活动和声音进行分析和建模，将句子、单词里面每一个因素都与喉部肌肉动作相对应。那么，当采集到想说话的神经信号时，就可以用语音合成器重建这个声音。现在合成的脑控声音跟自然的说话已经非常相似了。这个例子里使用的就是ECoG电极，它贴在脑皮层表面比较薄，基本上不会伤到脑组织，可以覆盖比较大的脑皮层区域，刚好适合语音解码。
     中国在植入式脑机接口研究领域才刚刚起步，但已经取得了一些成果。比如，浙江大学的研究团队使用商用脑机接口系统，在高龄志愿者身上实现了脑控机器人。这位志愿者通过自己的脑控机械手抓取到了油条，也拿到了可乐。
     2019年国内首例临床研究成果，成功实现高龄（72岁）志愿者的脑控机器人|浙大新闻办
     除了前面介绍的运动脑机接口，最近脑机接口在难治性抑郁治疗上也有突破。就目前的研究成果来看，对难治性抑郁的一两例病人，脑机接口相关治疗确实起到比较好的症状缓解效果。但有一个问题是，精神类疾病一般会在多个脑区出现异常，所以可能需要进行多靶点的协同调控，提高治愈率，也更适合更大多数的疾病人群。因此，在这方面我们还需要更深入地研究调控的靶点，确定出最准确的靶点和疗法。
     在未来，植入式脑机接口会带来什么样的场景呢？前段时间去世的著名科学家霍金先生，他一生中的大部分时间其实都是瘫坐在轮椅上的。如果给他配一个波士顿动力机器人，给他做一个外骨骼机械的身体，再通过脑控的方式来控制，那么他是不是就基本可以去到任何他想去到的地方了呢？还有我们在开始提到的电影《阿丽塔：战斗天使》中的情况，把脑神经和电子机械躯体进行融合的生存方式，或许在不久的将来也是有机会实现的。
     此外，未来的6G通讯技术，可能比现在的5G带宽要宽千倍以上。这么大的带宽就可以充分地支持，多人多地域脑信息的自由交流。也就是说，大家或许可以很自然地在整个地球范围内进行意念交流，冲破空间阻碍。如果真能实现，那么健康的人也可能很想拥有自己的脑机接口。换句话说，脑机接口可以说是元宇宙的终极形式。
     
未来，脑机接口会有更大的应用空间|Pixabay     从治病救人的角度来讲，去年美国国家药监局发布了《植入式脑机接口医疗器械的指南》，中国的药监局也在抓紧准备相似的指南了。信息标准化部门也在制定脑机接口的通讯标准。这些都将帮助越来越多的脑机接口产品面世，给一些患者带来生活质量的改善。
     我们可以看到，脑机接口是一门科学，并不玄幻。从目前的研究成果来看，脑机接口的未来已来，但还有不少需要提升的空间，仍然充满挑战。