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腦機接口系統可以在生命體和非生命體之間建立直接的通信橋梁。無創腦機接口技術通常將傳感器放在頭骨上，以偵測數以百萬計神經元同時產生的腦電活動。隨著電子、材料科學以及人工智能方面的進步，用于腦機接口的神經設備趨于小型化、智能化、無創化且無排異反應，應用前景廣闊，如可以讓失語患者重獲表達能力等。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第2期刊發《利用腦機接口技術幫助失語患者“說話”》一文，報道了腦機接口技術目前的主要研究方向以及取得的研究成果。文章指出，腦機接口技術早期的主要發展方向為恢復癱瘓患者的運動能力，隨著技術發展，這項技術也在恢復視覺與聽覺、治療心理或神經疾病、幫助癱瘓患者進行溝通等方面進行了應用。此外，腦機接口技術的應用需考慮市場和成本因素。
2021年7月《新英格蘭醫學雜志》（The New England Journal of Medicine）中的一篇文章報道，一項神經植入物技術成功幫助了一位癱瘓18年的患者，讓他第一次說出了一句可被人理解的話語——“我的家人在外面”。這名患者叫Pancho（化名）。2003年，年僅20歲的Pancho遭遇了嚴重的車禍。雖然該技術僅在這一位患者身上取得成功，但是這項成就標志著腦機接口工程的進步。加利福尼亞大學舊金山分校的研究人員創造了一套算法，可以控制Pancho大腦語言區域的電子陣列，并將他的神經活動翻譯為語言。每年都有數千人由于中風、疾病、受傷等原因失去表達能力，因此研究人員希望此項技術在某天可以幫助失語的人群重獲交流的能力。
電子、材料科學以及人工智能方面的進步使得這些神經設備小型化、智能化、無創化且無排異反應。現在，分析預測全球腦機接口市場價值將在2030年達到55億美元，如Facebook（美國加利福尼亞門洛帕克）和Neuralink（美國加利福尼亞舊金山）等公司也開始研發面對日常消費者與病患的腦機接口設備。美國加利福尼亞大學舊金山分校語言神經治療研究團隊領導及博士后David Moses說道：“過去10年內該領域實現了大幅進步。最明確的一點便是行業參與率直線上升。”
在最基本層面，腦機接口技術允許人類大腦與外部設備相互交流。有創外科手術在大腦中植入腦機接口設備，或像Pancho一樣，在大腦表面植入設備。這些設備通常是一個由數十個小型金屬電極組成的陣列，針對特定神經元，不僅記錄神經元活動，同時刺激這些神經元活動。
雖然這些植入設備能直接接收大腦的電信號，但是這些設備的缺點也很明顯。加利福尼亞大學圣迭戈分校認知科學教授Virginia de Sa說道：“所有手術都有風險。從神經元的角度出發，皮質內植入物更像是一個電極。”她也在研究中使用了腦機接口技術。她還說：“此外，大腦不喜歡其內部有外來物質，神經膠質會爬滿皮質內電極，這也意味著刺激或記錄行為最終將無法進行。”
無創腦機接口技術通常將傳感器放在頭骨上，用于偵測數以百萬計神經元同時產生的腦電活動。這些傳感器無需通過手術就可以實現輕松安裝或移除，不過相比有創工具，其信號會相對模糊不清。威斯康辛大學生物醫學副教授、神經刺激設備研發人員Kip Ludwig說道：“這就像聽兩個人說話一樣，一個是站在他們旁邊聽他們說話，一個是在房間外面聽他們說話”。
早期，腦機接口發展的主要方向為恢復癱瘓患者的運動能力。隨著技術發展，這項技術也有了其他應用，如恢復視覺與聽覺、治療心理或神經疾病、幫助癱瘓患者進行溝通等。2005年報道了一項腦機工作成果，其中由美國多家學術機構的專家組成的團隊，經過數十年的動物研究，為四肢癱瘓的Matt Nagle裝備了首個植入式腦機接口設備，用于控制一只機械手。自此，腦機接口技術不斷發展，讓假肢能夠進行完全的三維控制與抓握，同時還能提供觸覺反饋。
除了提升假肢功能，腦機接口也用于治療多種心理和神經疾病。1997年，美國食品藥品監督管理局（US Food and Drug Administration）批準通過了首個深部腦刺激設備，用于治療特發性震顫。該設備本質上是一個長電極，帶有數個電接觸點，通過安裝在鎖骨的設備進行控制。2002年，該設備被批準用于治療帕金森病（圖），2003年被批準用于治療肌張力障礙以及2018年被批準用于治療癲癇（見參考文獻[7]中有關深部腦刺激的討論）。Ludwig說道：“深部腦刺激設備能有效治療帕金森病以及特發性震顫。你可以看到運動得分平均上升了60%。許多情況下，這就決定了患者能否重新回到工作崗位。”
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圖. 深部腦刺激設備電極通常用于治療帕金森病。在該模擬影像中，深部腦刺激設備電極（白色）通過手術植入左右腦丘腦底核（橙色）。這些大腦區域負責實現想要的動作并抑制不想要的動作。來源：Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)。
Ludwig說道：“然而，該技術難以惠及那些真正需要治療的患者，只有5%~20%的患者會接受利用深部腦刺激來治療帕金森病。因為如果你說‘我要在你腦袋上開個洞，并將1.2 mm粗的鉛棒塞入大腦深部’，患者會表示‘我還是先試試別的方法吧’。”
深部腦刺激治療抑郁癥也沒達到預期效果。在早期報道的小型實驗中，深部腦刺激成功治療了40%~80%的患者。之后，醫療設備制造贊助商圣猶達公司（美國明尼蘇達小加拿大）因不明原因在2017年突然停止了目前世界上最大的臨床試驗。
雖然遭遇了挫折，研究人員依然沒有放棄這項技術。這項被停止的試驗的領導人最近使用人工智能辨別大腦的β節律，作為深部腦刺激的生物標記；通過該研究成果他們希望能優化深部腦刺激治療的效果。2021年9月，神經外科醫生Edward Chang（負責Pancho的語言神經受損康復治療）帶領的加利福尼亞大學舊金山分校醫學中心團隊，宣布他們使用深部腦刺激設備——NeuroPace響應神經刺激系統（美國加利福尼亞山景城NeuroPace公司）——成功治療了一位從小就患有難治性重度抑郁癥的36歲女性患者。與以往深度腦刺激設備電極簡單地不斷進行電刺激不同，NeuroPace系統檢測與該患者抑郁癥相關的特定腦電波波形，并適時向大腦神經元回路發送電流，讓效果最大化。研究人員稱一年以來該患者癥狀有所減輕。
腦機接口研究的另一項重點，便是幫助失語患者通過打字、手寫，或者合成音更好地進行溝通。2017年，由塔夫斯大學（Tufts University）和其他幾所美國大學的研究人員組成了BrainGate研究團隊，該團隊研發的腦機接口使三位癱瘓患者能通過屏幕上的光標選擇字母，其中一人打字速度甚至能達到每分鐘8個字。2021年6月，BrainGate團隊報道了最新成果。該團隊的設備通過檢測四肢癱瘓患者的皮層運動區電信號進行手寫識別，使得患者能以每分鐘86個字母的速度組織英語語句（圖）。
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圖. 由BrainGate研究團隊研發的腦機接口，由100個細小金屬電極組成（大小同10分的美元硬幣），用于記錄大腦皮質運動區在手寫過程中產生的信號。然后通過此類信號在電腦上實時生成相應文本。來源：BrainGate.org (public domain)。
兩個月后，Moses等發表了他們有關Pancho語言能力的腦機接口的研究進展，該研究是基于他們之前公布的癲癇患者手術過程中皮層腦電圖測量結果形成的（圖4）。經過81周50個療程后，美國加利福尼亞大學舊金山分校醫學中心團隊將由128個電極組成的長方形腦機接口植入Pancho的大腦，然后通過光纜（連接頭部接口）與一臺計算機連接，并讓Pancho說出50個常見詞，比如“餓”“音樂”“計算機”。當Pancho試圖說話時，定制神經網絡模型將辨別其大腦活動的精細波形，用于檢測語言意圖以及尋找他想說的詞語。該訓練有助于構成一個特殊的語言模型，該模型在Pancho試圖說特定詞語時進行反應。團隊還發現系統可以以每分鐘15個單詞的速度解碼Pancho大腦活動產生的單詞，準確率高達74%。
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圖. 美國加利福尼亞大學舊金山分校醫學中心團隊選擇利用的皮層腦電圖植入物，由256個電極組成（呈正方形，邊長為6 cm，位于大腦表面），無需穿透大腦組織便能解碼接受手術治療的癲癇患者的語言，由此辨別發病機理。來源：UCSF/Noah Berger (public domain).
de Sa說道：“雖然當前詞匯量極其有限，但是成果依然讓人印象深刻。再多點努力與時間，就能有更好的成果。”
Moses則認為，即使詞匯量極為有限，但也能幫助那些難以使用鍵盤以及其他現存接口的人。他補充道，他們的工作還展示了超過一年的連續解碼。“這一點特別重要，因為你不想讓一個東西的有效性太短。”
雖然Facebook公司資助了美國加利福尼亞大學舊金山分校醫學中心的語言神經假肢研究，但該公司宣布其將離開有創設備領域，轉向手腕穿戴式設備領域，用于實現2017年所宣布的目標——幫助一般消費者實現每分鐘100個單詞輸入的神經接口系統。
另一家打算制造一個腦機接口設備的公司是Neuralink（美國加利福尼亞菲蒙），該公司由連續創業家Elon Musk于2016年成立。相比Facebook公司面向一般消費者，Neuralink公司堅持為患者提供設備。其在最新一代硬幣大小的無線腦機接口設備上安裝了1024個針型靈活的電極，能穿透大腦皮層，記錄并操控神經活動。雖然還需進行人體試驗，但在2020年的展示中，該設備已經能使猴子游玩簡單的彈球游戲。
專家稱Neuralink公司目前所做的工作顯示出他們的技術并沒有領先其他腦機接口技術，但是他們能根據公司大量資源（比如包括100名專業項目人員）進行改變。Ludwig說道：“在利用無線腦機接口通過被動記錄進行預測方面，Neuralink公司當前完成了非常有意義的第一步。下一步需要通過數以百計的動物試驗，然后才能進行人體試驗，任務繁重。”而且實際上，下一步的工作比Ludwig說的還要具有挑戰性。Neuralink公司將進行重新設計，以征得監管部門的批準，同時改善設備容錯。另外，他們還將相應地重新設計供應鏈，考慮價格點等。
Ludwig認為市場因素將是腦機接口能否成功的重要變量。他說：“我們必須迅速認識到這項技術成本高昂且市場有限，這樣是無法支撐起該技術的。”
編輯：黃飛
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工商網監
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