国内脑机接口的进化:起步晚但迅猛——人体试验、意念控物及蚕丝硬盘与数字永生|CyberDaily

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不怕起步晚。
在被ChatGPT包围,AI要“掌控”人类现实世界的语境下,脑机接口在奇点降临前取得突破性进展。不过,在许多人看来,脑机接口只是出现在科幻电影里的超能力,或是国外诸如埃隆·马斯克的Nerualink、纽约布鲁克林的Synchron等知名公司在科技树上创造的人类伟大成果。实际上,在国内,我们的脑机接口取得了不错的发展,也许过于低调了。
国外脑机接口发展较早,为后世打下基础
从国际上看,脑机接口的研究可以追溯至1924年,德国精神科医生汉斯·贝格发现了脑电波,人们注意到意识可以转化为电子信号被读取。在此基础上,脑机接口技术开始起步并逐步发展。1969年德裔美国神经学家埃伯哈德·费兹将猴大脑中的一个神经元连接到一个仪表盘,这只猴也是 第一个真正的脑机接口被试对象。此后科学家尝试通过解码大脑电信号准确控制外部设备,脑机接口迈入科学论证阶段。
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注:1924年,德国精神科医生汉斯·贝格发现了脑电波
尤其是1998年的两次动物和人试验,将脑机接口进行人体植入并成功控制设备:第一是,Emory大学菲利普·肯尼迪和罗伊·巴凯为锁闭综合征患者植入“运动神经假体”,实现对电脑光标的控制。第二是,布朗大学约翰·多诺霍团队用电线将人脑和大型主机相连,使人脑能对其他设备进行远程控制。这标志性地证明脑机接口与人的融合的可行性,为新世纪脑机接口的临床应用提供有力的突破性基础。
因而,进入21世纪,以Neuralink为代表的BCI公司推出产品(虽然未人体试验),而谷歌、微软、脸书也都在投入发展脑机接口技术研发。纽约布鲁克林的Synchron已经在今年开始进一步人体试验,目的是加快脑机接口的临床应用,未来几年内,可能可以看到脑机接口走进更多医院和家庭里。
国内虽起步较晚,但发展迅猛
从上世纪90年代开始,我国陆续在“北上广”及重点省会城市成立脑科学研究相关中心和实验室,并于2017年和2018年分别成立了类脑智能技术及应用国家工程实验室、北京脑科学与类脑研究中心,推动脑机接口技术的创新和发展。以及最近几年的国家脑科学计划,今年成立的中国脑机接口产业联盟,都在推动脑机接口向前发展。
因此,在十年前即2012年,浙江大学脑机接口研究团队通过在猴子脑中植入微电极阵列,运用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子能通过自身“意念”直接控制外部机械手臂。2014年,浙大团队在人脑内植入皮层脑电微电极,实现“意念”控制机械手完成高难度的“石头、剪刀、布”手指运动,创造了当时的国内第一,达到国际同等水平。
值得一提的国内首例侵入式脑机接口人体试验
依然是浙江大学的脑机接口团队。2020年1月16日,浙江大学对外宣布“双脑计划”重要科研成果,该校求是高等研究院“脑机接口”团队与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作完成国内第一例植入式脑机接口临床研究,患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动,同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。
患者张先生当时已是72岁高龄,在2018年因为车祸造成第四颈髓层面损伤,四肢完全瘫痪。经过植入脑机接口和系统训练后,他用“意念”控制外部机械臂及机械手。不仅可以握手,还能拿饮料、吃油条、玩麻等。
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注:2020年,瘫患者张先生通过脑机接口控制机械臂吃油条
这是令人振奋的,意味着在侵入式脑机接口的研究上,我们实际上要比Neuralink还要早,因为在去年该公司被美国FDA拒绝了人体试验。有了人的经验,对于后续的研究将是更快的突破。
再次突破,华南首例脑机接口人体手术植入
在此后浙大团队依然奋进,研发了一种叫Epilcure的脑机接口技术产品。并在今年早些时间,在福建医科大学附属协和医院顺利完成一项人体手术,患者为陈先生,从小就患有癫痫,一直困扰着他的生活。植入基于脑机接口闭环自响应神经刺激系统植,预计手术后陈先生的癫痫发作将大大减少,恢复正常人的学习和生活,摆脱三十多年来的“紧箍咒”。
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注:2023年,福建医科大学附属协和医院的神经科完成一项脑机接口手术
沉浸20多年的脑机接口团队,可以让人们意念控物
其他团队也在低调研究,今年2月22日,华商报的记者再次采访西北工业大学的脑机接口团队,在这次采访中,谢松云教授提到目前最新的研究:人机融合技术。这项技术,可以帮助人们隔空控制物体,监测危险行为。
通过将脑电和眼动等人体生物特征与人工智能技术相融合,目前建立了人机融合决策模型,提高了无人机、无人车的避障性能。通俗地讲,比如,在无人机或无人车行驶时,单纯使用人工智能,对于一些障碍物或路面危险是无法检测到从而进行躲避的,但将人对突发状况的下意识反应通过脑电和眼动等检测提取出来,与人工智能的决策与控制系统相融合,无人机或无人车就会成功避开危险,安全行驶。
谢松云教授团队的最新脑机接口研究,视频来自人民网
不仅如此,谢松云教授团队研发的脑机接口技术,也可用于帮助癫痫、抑郁症、老年痴呆症等神经疾病的治疗。
如她在采访中讲到,“脑机交互”是一个双向作用,用“脑“控制“机”,即人脑输出,同“机”也可以刺激“脑”。这样的反向刺激目前在医院临床已用于癫痫病的治疗,用研发出来的系统,刺激患者的大脑神经元,比如杀死错误的神经元,激活有功能的神经元,从而让患者病情得到改善,这些均需要专业医院专业医疗团队进行操作。这种技术也可以用于对抑郁症、失眠症、老年痴呆症的治疗,这类疾病的产生均与脑神经有关。研发出来的系统,通过反向刺激脑神经元,可以让神经元变得积极起来,使人开心起来。”
因此,谢松云教授在采访中重点提到,由于靠人脑主动控制存在信号不稳定、反应慢等问题,所以将人脑的快速认知能力与人工智能能的快速计算能力相融合,建立人机统一的新的智能体,是目前脑科学和人工智能交叉研究的重点方向。实际上,谢松云团在过去十年已经取的了许多宝贵的研究成果。
比如:2012年研发了视觉刺激诱发的脑控模型车系统;2014年研发了少导联便携式脑控抓取式机器人;2016年又完成了多模式诱发刺激下的脑控无人机系统,可通过事件想象、 视觉刺激、眨眼等诱发模式,控制脑控无人机绕杆、完成8字飞行 ,复杂任务完成率达86.5%。在此基础上,团队又将脑控技术与人工智能相结合,研发了脑机协同技术,于2018年完成了手脑机协作的勘察无人车项目,2019年实现了脑机协同无人机编队智能控制, 2021年又研发了脑机协同机械臂智能控制系统。
脑机接口可以成为数字永生的阶梯吗?是可能的
脑机接口在恢复与治疗人体神经系统疾病的可行情况外,也有可能实现人类所谓数字永生的终极目标。在一次采访中,脑虎科技创始人、中科院微系统所陶虎教授提到,其实,脑机结合的终极目标可能就是让硅基器件与碳基生命融合,从而实现生命进化的新高度。
在近日,在浙大生仪学院举办的学术报告中,陶虎教授分享了其团队研究成果:蚕丝在脑机接口、生物存储等领域的应用以及对未来脑科学研究的探索。陶虎教授团队研发了全球首款可实现数字信息和生物信息同步存储的“蚕丝硬盘”和多层级可植入瞬态存储器、可控降解的瞬态可溶电子微系统基底,并成功应用于电子药物封装材料。
意味着,离实现数字上传大脑与数字生命永生成为一种可能。
当然,除了侵入式脑机接口的研究,国内包括天津大学、脑陆科技等脑机接口公司、研究机构都在致力于通过非侵入式的方式为患者辅助治疗神经系统疾病。包括,苏州医工所研究团队近期发布一种名为CS-CNN的深度学习算法,它可以用于解决人机交互、脑机接口和机器人控制等领域的问题,这些都是重大突破。
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最后,依然要攻克许多难题与奋勇前行
虽然我们在脑机接口比较晚起步,但是发展已经国际上取得不错的成果,甚至有些成果优异于发达国家。比如谢松云教授提到的我国国内有研究团队生产的侵入式脑电图仪已远销欧洲。不过,依然需要攻克许多难题比如所需要的芯片和一些新材料等等,以及脑机接口的安全与伦理机制的建立。不过相信我们科学家的智慧和能力,在未来脑机接口可以较早地临床应用,帮助老年痴呆、癫痫等患者恢复健康,以及关于人机融合的发展建立一个不错的基地。
山高水远,细水流长。
参考资料
参考资料:
[1]http://www.news.zju.edu.cn/2020/0117/c23225a1957263/pagem.htm
[2]http://sn.people.com.cn/n2/2023/0320/c226647-40344120.html
[3]https://www.yxj.org.cn/detailPage?articleId=365008
[4]https://www.sohu.com/a/645917791_119659
[5]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMjI5MTIyOQ==&mid=2459993730&idx=1&sn=0f754b7a110a44c20b4839ab356940bc&chksm=8d9885f0baef0ce6abcbca87f53d80dabb06b7428e9fadaf599616c1894e34623fee6b9a8fa3&scene=21#wechat_redirect
[6]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMjI5MTIyOQ==&mid=2459994063&idx=1&sn=ab26042c5695cfe35b99cc880b234534&chksm=8d9884bdbaef0dabb46d18e652e1cdc17334bea5da8a211a920418562b219a20ea94249dad26&token=257441686&lang=zh_CN#rd
[7]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMjI5MTIyOQ==&mid=2459993985&idx=2&sn=35cbd01d48efae7c036e41d113098513&chksm=8d9884f3baef0de5c66fac8925a0920c0f94ac5fa93dbdac13465e92186859002027682dcafe&token=257441686&lang=zh_CN#rd
[8]http://www.qaas.zju.edu.cn/news.asp?id=149