馬斯克的腦機接口，一個有關(guān)“卡脖子”的故事？丨亮見17期

丨劃重點

腦機接口發(fā)展已有近50年歷史，解決的是大腦信息讀取，再回傳大腦并進行相應控制的問題，二者結(jié)合則是“腦機交互”的概念。

腦機接口早已“飛入尋常百姓家”，在帕金森癥、抑郁癥的治療方面已有很長的歷史，人工耳蝸也屬于腦機接口設備的一種。

腦機設備植入大腦造成感染的風險比較低，設備屬于三類的醫(yī)療器械，受到嚴格的監(jiān)管，目前技術(shù)對大腦功能不會產(chǎn)生顯著負面影響。

美國已將腦機接口定義為卡脖子技術(shù)，中國在這方面已經(jīng)提前布局，未來5-10年將有可能建立領(lǐng)先優(yōu)勢。

腦機接口是典型的交叉學科，涉及腦科學、電子工程、材料學、計算機等，需要多個學科人員組建團隊共同解決問題。

丨概述

互聯(lián)網(wǎng)的故事逐漸“荒漠化”之后，資本快速找到了新的綠洲——生命科學。

日前，馬斯克旗下腦機接口公司Neuralink公布對外宣稱已實現(xiàn)小型化、可升級的腦機設備研發(fā)，且無限接近量產(chǎn)，并將于6個月內(nèi)進行人體實驗，然后在人體實驗之前，也遭到監(jiān)管和輿論對“倫理”的質(zhì)疑——有材料證明 Neuralink 和加州大學戴維斯分校的動物實驗，對猴子造成了殘忍的虐殺。

復旦大學類腦智能科學與技術(shù)研究院副院長王守巖認為，腦機接口技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了“讀腦”和“寫腦”兩個階段，開始進入到“腦機交互”與”腦機融合”時期。

在腦機交互設想實現(xiàn)的過程中，需要克服交叉學科的挑戰(zhàn)，尤其是實現(xiàn)從神經(jīng)科學理論到技術(shù)與系統(tǒng)集成的跨越，同時資本也將從概念投入轉(zhuǎn)變?yōu)橹С置嫦蛐枨蟮募夹g(shù)整合。

關(guān)于腦機實驗，選動物還是選人類？需要“就事論事”、遵循倫理，從安全和利益等多個角度考慮。

01

讀腦、寫腦與腦機交互

劉興亮: 先請王教授為大家科普一下腦機接口的發(fā)展歷史。

王守巖：腦機接口發(fā)展有近50年的歷史，在發(fā)展的過程當中也經(jīng)歷著時代的變遷。

腦機接口需要解決什么問題？第一，對大腦信息的讀取；第二，將讀取的信息傳回大腦，并對其進行相應的控制，或者將聲音的信息或者視覺的信息傳入其中。

近年來人類一直在思考，如果讀腦、寫腦都能夠完成，是否可以將兩者相結(jié)來？所以腦機接口現(xiàn)在發(fā)展到“腦機交互”階段，腦機的交互，就是將腦信息的讀取和寫入成為一個整體。

在這個基礎(chǔ)上，未來可能會發(fā)展新的智能解決方案、新的設備，成為神經(jīng)系統(tǒng)，成為大腦的一部分，這也是未來腦機融合的概念。所以，從讀腦、寫腦的腦機交互到腦機融合，可以看作是從過去、現(xiàn)在到未來的過程。

腦機接口這一領(lǐng)域的發(fā)展，有幾個重要的時間節(jié)點。

1924年，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾在一名顱骨缺陷的病人頭皮上記錄到了電流計鏡面的微小振動，首次記錄到腦電波，開啟了腦機接口相關(guān)技術(shù)的學術(shù)探索時代；

1969年研究員埃伯哈德·費茲設計了游戲，讓猴子通過特定思考來觸發(fā)儀表盤的指針轉(zhuǎn)動，從而獲得游戲獎勵，此后科學家嘗試通過解碼大腦電信號準確方便地控制外部設備，腦機接口邁入科學論證階段。

“腦機接口”一詞最早是由 Jacques Vidal 在1973年提出的，一個可以將腦電信號轉(zhuǎn)化為計算機控制信號的系統(tǒng)，他將這樣的系統(tǒng)命名為“腦機接口”。

隨著神經(jīng)科學與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機接口技術(shù)開始快速發(fā)展，引起了世界的關(guān)注。

2023年，巴西世界杯截肢殘疾者憑借腦機接口和機械外骨骼開出第一球；

2023年巴西世界杯世界杯截肢殘疾者憑借腦機接口和機械外骨骼開出第一球，圖源：網(wǎng)絡

后來馬斯克進入到腦機接口領(lǐng)域，他的工作也使得世界了解了腦機接口，在此基礎(chǔ)上，美國隨即將腦機接口技術(shù)定義為卡脖子技術(shù)，美國從國家戰(zhàn)略的角度通過政策的調(diào)整，讓腦機接口從而又獲得了大量的關(guān)注。

從科學的角度，也有幾個重要的階段。

早期階段，腦機接口經(jīng)歷了30-40年的積累，最常被用來監(jiān)測腦電，解碼大腦活動來打字，初始打字速度很慢。包括清華大學、天津大學的相關(guān)團隊，以及國際上的團隊都在該領(lǐng)域進行了很長時間的積累。

直到近幾年，通過腦機實現(xiàn)文字輸入的速度媲美手動打字，這樣的突破讓人們看到解碼大腦活動的可行性。

2023年科學家首次在癱瘓患者顱內(nèi)植入電極，控制機械臂來完成特定動作。2023年，浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院在高位截癱患者腦內(nèi)植入Utah陣列電極，在我國首次實現(xiàn)高位截癱病人通過“腦機接口技術(shù)”控制機械臂，完成進食、飲水和握手等上肢運動。

讓癱瘓的患者能夠自己去控制，相當于同外界又建立了聯(lián)系，這是讀腦方面的發(fā)展。

高位截癱病人通過“腦機接口技術(shù)”控制機械臂，完成飲水，圖源：智東西

在寫腦方面，一個重要的進展是2023年牛津大學的團隊，在帕金森病的治療過程中，將讀取腦信號和刺激大腦連接起來，形成了一種被稱為閉環(huán)或自適應的腦刺激方式。

第一次真正的在人身上能夠?qū)⒆x腦和寫腦兩者有機結(jié)合，這同樣也是在讀腦與寫腦方面的一次突破。

另外，在2023年歐洲團隊利用大腦的信號發(fā)出運動命令來控制腦電，刺激肌肉、刺激脊髓，讓脊髓損傷癱瘓的病人又能夠重新站立起來。

脊髓損傷被認為是在康復領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰，在幾十年、上百年甚至上千年都沒有一個方法讓一個完全截癱的人重新站立，而這個工作則是一個顛覆性突破。

可以說腦機接口領(lǐng)域在近十年正在進入到加速發(fā)展的階段。

02

資本講新故事：

整合技術(shù)而不是概念投入

劉興亮：腦機接口作為非常前沿的領(lǐng)域是否是生物與計算機的交叉領(lǐng)域？目前的研究人員大多是什么學術(shù)背景，在學校開設專門課程，在未來有可行性嗎？

王守巖：這是特別典型的交叉學科領(lǐng)域。

第一是腦科學。對于大腦的本身的解讀、理解、研究。第二是電子工程，和大腦交互，需要有設備、硬件，所以有電子工程。第三，因為設備需要放置在大腦表面或者腦中，能不能更好地與人腦貼合，就涉及到材料學。第四，以人工智能，機器學習為代表的的計算機在經(jīng)過近幾年的發(fā)展，在腦機接口領(lǐng)域貢獻也越來越大。

腦科學、電子工程、材料學共同配合完成意識控制，圖源：浙大二院

從解決腦機接口問題的角度，可能最后需要多個團隊共同努力解決問題。

所以，為什么腦機接口現(xiàn)在發(fā)展如此艱難？就是因為它需要能夠整合多個學科或者是知識理論的大團隊。

一般在高校做科研都是自由探索，往往針對某一個問題進行研究。腦機接口領(lǐng)域是一個系統(tǒng)集成問題的研究與研發(fā)，所以從這個角度來看不太可能有一個專門的課程，因為它涉及的學科領(lǐng)域過多。

我們復旦平臺現(xiàn)有的學科包括腦科學、認知神經(jīng)科學（研究我們的記憶、情感從哪里來），電子工程的研發(fā)、智能硬件的研發(fā)。

以及腦影像的研究（對大腦進行更深層次的全面解讀），大腦神經(jīng)活動解碼的研發(fā)還有專門的人工智能算法團隊。

劉興亮：目前腦機接口有哪些應用場景，能夠給人類帶來什么改變，短期內(nèi)最容易看得到的成果可能是什么？

王守巖：可以從三個角度來看。

第一個是從讀腦的角度，也就是讀取大腦的信號，包括前面提到的記錄腦信號，最常用的是無創(chuàng)方式解讀大腦，原先可以用腦電信號來控制鼠標打字或者控制輪椅，但近幾年開始在腦疾病的治療、評估上落地應用。

比如評估精神疾病，如“抑郁癥”的治療效果，尤其是患者服藥后效果的監(jiān)測；或者從更廣泛的角度來說，可以應用腦影像進行腦疾病的診斷。

第二個從寫腦的角度，現(xiàn)在的應用包括有植入電極進行腦深部電刺激治療帕金森病，也包括非植入的40赫茲光刺激調(diào)控腦功能減緩阿爾茲海默癥。當然，除了光的調(diào)控，還有經(jīng)顱的直流電刺激、磁刺激，都是對大腦功能的調(diào)控和改善。

第三個是交互技術(shù)。科學界最近兩年發(fā)表了幾篇重要的論文，核心的觀點是——在特定的時間對大腦進行刺激，比如只在病人狀況不好的時候進行刺激，就可以對大腦功能實現(xiàn)更加智能化、精準化的調(diào)控。

那么在抑郁癥、癲癇疾病的治療當中，腦機技術(shù)都具備無限的可能，只是目前還處于科研發(fā)展的早期階段。

劉興亮：腦機接口的發(fā)展目前受到了哪些條件的制約，最難的挑戰(zhàn)來自于哪里？

王守巖：目前比較大的挑戰(zhàn)就是交叉學科的研究。交叉學科的研究是每個人、每個團隊做一件事情。但是如何把不同的技術(shù)集成綜合，從技術(shù)發(fā)展的角度存在挑戰(zhàn)。

另外一個挑戰(zhàn)則是人類目前對大腦的理解仍然處于比較初級的階段。最需要回答的問題是，讀出的大腦信息，到底意味著什么，與疾病到底存在怎樣的關(guān)系？

腦機研究是一個迭代的過程，人類對大腦的理解向前一步，腦機領(lǐng)域的發(fā)展也會隨之前進一步。

比如像帕金森病，我們進行植入芯片治療是因為對于它發(fā)病機制我們比較清楚，知道大腦的哪個位置出現(xiàn)問題，很容易去有針對性的解決問題。

帕金森發(fā)病機制，圖源：網(wǎng)絡

但是對于老年癡呆這種病癥，到底是大腦哪一部分出現(xiàn)問題，到目前還無法診斷清楚，這時候就很難通過腦機去解決問題。

所以，通過腦機實現(xiàn)用大腦去控制打字、控制輪椅進展更加順利，因為大腦會有一個明確的運動命令，更容易建立腦機接口控制技術(shù)。

從某種程度上說，中國在腦機接口領(lǐng)域，未來的5-10年，在國際上都將處于世界前沿。一方面，我國一直都有大量的學者推動腦機接口的持續(xù)發(fā)展。另一方面，美國將腦機接口定義為卡脖子技術(shù)后，中國的腦計劃、腦科學類研究的重大項目就已經(jīng)完成布局。從腦機接口的機制到技術(shù)，再到植入的材料，都進行了全方位的布局。

可以想象，5年之后，整個領(lǐng)域的技術(shù)更進一步之后，我們再去做集成技術(shù)，就會更加的容易。

回到資本上來，現(xiàn)在資本要講新故事，新在哪？

新指的是從從問題的角度去整合技術(shù)，而不是從概念的角度去投入。我覺得這是未來五年發(fā)展，是可能出現(xiàn)的趨勢變化，同時也需要資本更加深入領(lǐng)域，持續(xù)而戰(zhàn)略投入。

此外，我們要投入更多的精力，去思考這個領(lǐng)域需要做哪些布局，需要重點解決什么問題？比如如何治療抑郁癥或者精神疾病的問題。

03

做科研實驗，選動物還是人類？

劉興亮：腦機接口設備對健康有沒有影響，會不會感染病菌？

王守巖：相對來說感染的風險比較低，因為植入大腦的醫(yī)療器械它經(jīng)過嚴格的監(jiān)管，屬于三類的醫(yī)療器械。

不過，醫(yī)學方面的問題，都沒有辦法100%的避免風險，所以很多醫(yī)院做手術(shù)都要簽知情同意書，讓患者接受相應的風險。

當然在大腦中植入設備，肯定會對大腦產(chǎn)生一定的影響。目前來看，大腦植入芯片對于大腦本身的功能影響相對來說沒有那么大。

長期的刺激，比如植入芯片治療帕金森病，有的病例植入時間長達20多年，一直都起到了很好的治療效果。從長時間的觀察來看，這種植入對于腦功能的影響沒有那么明顯。

目前也沒有明確的臨床證據(jù)表明，植入芯片會整體引起不好的癥狀，當然患者的反應可能也因人而異，但從整體來說，這種治療方案對于疾病的改善效果要遠遠大于可能帶來的風險影響。

我們國家也正在大力地推動整個倫理體系的建設，尤其是在科研和醫(yī)療上，兩個體系都在快速的發(fā)展，倫理的第一個原則就是安全。我們必須保證植入到大腦的設備沒有感染的風險。但是在手術(shù)過程則存在不確定性的風險。

倫理的第二個原則是收益價值，是對于患者的個人利益的保護，患者通過植入芯片能夠獲得怎樣的治療效果。

因為從社會的角度來看，不會隨便讓一個普通人植入芯片，通過植入芯片變聰明不會獲得倫理支持。但是對于一個病人來說，在無法行動后植入一個芯片重新獲得行動能力，這在倫理的框架內(nèi)合情合理，我們需要專家和社會共同建立對于這些事情要有符合道德、責任等認知的規(guī)范，而不是誰想做就可以做。

劉興亮：馬斯克預計在半年內(nèi)，就會進行人體的實驗，腦機接口為什么需要經(jīng)歷從動物實驗再到人體實驗的流程，這種流程的價值體現(xiàn)在哪，是不是必須？

馬斯克旗下的Neuralink腦機接口公司已經(jīng)在一只名為Sake的猴子上實現(xiàn)了用大腦控制一個虛擬鍵盤來打字，完成快速的“意念打字”

王守巖：因為這會涉及到硬件設備，會不會感染？放進去會不會產(chǎn)生炎癥？所以尤其是植入類設備，他必須要去證明安全性、可靠性，在面對這類問題，解決它需要用到動物。

與之相對的，醫(yī)院很多腦機相關(guān)的研究很多時候不需要動物，科學家直接和醫(yī)生合作，在患者身上進行數(shù)據(jù)的記錄。比如，腦電信號對病人沒有任何的影響，只記錄到腦電信號，就不需要去做動物的研究。刺激類的數(shù)據(jù)監(jiān)測，比如患者改善情緒、改善記憶、改善注意，這方面的研究也是可以在經(jīng)過倫理審批以后在人身上直接進行。

關(guān)于動物實驗，還是人體實驗，需要就事論事，看要解決什么樣的問題，這也是屬于倫理，包括動物倫理和生物醫(yī)學倫理的問題。

我們需要尊重生命，以問題為出發(fā)點，建立研究方法和路徑，這是腦機這樣的科學研究應該遵從的原則。當然，也需要關(guān)注——是否可以減少動物實驗，或者是提高實驗的效率？

比如，隨著計算機技術(shù)、孿生技術(shù)的發(fā)展，未來是否會出現(xiàn)數(shù)字大腦，利用數(shù)學模型構(gòu)建數(shù)字化大腦，在數(shù)據(jù)和模型的基礎(chǔ)上做科學的研究，建立一種新的人工智能范式。

04

“遠在天邊，近在眼前”的腦機接口

劉興亮：如何能讓腦機接口成為一項普通人都能夠自己用的技術(shù)，實現(xiàn)這個目標可能需要多久？

王守巖：目前來看，腦機接口最可能解決的還是醫(yī)療健康相關(guān)問題，所以普通人看待腦機接口的話題更多的是興趣使然，更多的普羅大眾還沒有到需要腦機接口相關(guān)技術(shù)的階段。

如果腦健康出現(xiàn)問題或者其他腦疾病發(fā)生，我們就會認為這些技術(shù)很貼近生活，要想讓腦機接口“飛入尋常百姓家”，用八個字概括“遠在天邊，近在眼前”。

為什么叫近在眼前？目前已有相關(guān)的技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應用，比如植入式的設備或者無創(chuàng)的神經(jīng)調(diào)控設備，已經(jīng)進入臨床，再比如像人工耳蝸這類康復設備，所以核心還是一個醫(yī)療健康問題。

那為什么又遠在天邊？比如夢境重現(xiàn)的猜想，甚至是干預，還有記憶的增強和知識的寫入，這些領(lǐng)域的設想和研究還處于早期階段。

另外，虛擬大腦，數(shù)字孿生大腦，以及腦機交互的算法，也都還處于早期階段，需要經(jīng)歷一個相當長的研發(fā)和臨床周期才能逐漸的走到我們的面前，去更好地解決問題。

所以，關(guān)于腦機接口的應用，不能一概而論。技術(shù)的發(fā)展有快有慢，未來一定會有更多的前沿技術(shù)幫助人類解決更多的問題。

劉興亮：關(guān)于腦機接口相關(guān)技術(shù)，您最期待哪一個領(lǐng)域取得突破？

王守巖: 我最期待的是兩個問題，一個是前沿挑戰(zhàn)的植入式閉環(huán)腦刺激，可以對于一個神經(jīng)核團的某一個特定功能進行精細化的調(diào)控。

比如調(diào)控快樂、調(diào)控疼痛。

對于難治性抑郁，還有疼痛，我們做過很多的研究，疼痛會很沮喪，那我可以通過精細化的調(diào)控將疼痛緩解，患者的情緒也能夠緩解，變得快樂，這是我自己特別期待的一件事情，也是在努力做的事情。

另外一個就是無創(chuàng)的設備能夠更小型化，能夠去更方便的讀取大腦的信號，給它一些施加一些更高效的刺激，這樣可以幫助患有慢病的病人去解決他的問題，比如睡眠不好，就是短期的疫情帶來的一些壓力、焦慮或者是工作當中短期的影響讓自己身體出現(xiàn)狀況。

小的設備可以治“未病”，防止在它成為一個嚴重問題以前，就施加解決手段，幫助人們能夠去解決這些小問題，不要把小問題變成大問題。

劉興亮：我對第一個神經(jīng)調(diào)控非常感興趣，這個“快樂按鈕”給人感覺非常魔幻，一個按鈕就可以讓人更快樂。當科幻都變成科技，當科幻照進現(xiàn)實，未來或許還有更多的技術(shù)都來自于我們的胡思亂想，所以我們今天的奇思妙想說不定哪一天真的會實現(xiàn)，也希望這樣一個“快樂按鈕”能夠早日出現(xiàn)，讓我們每個人都能按出生活中的“快樂”！