从霍金到黑客帝国——让科幻电影照进现实 (3)

侵入式脑机接口：神经芯片解读精细运动信号

既然脑电信号不够精准，不够稳定，为什么不把神经传感器放进脑内，去探测和记录每一个运动神经细胞的活动，做一个长期植入“一劳永逸”的脑机接口呢？1998年，美国创业公司Neural Signals的创始人Philip Kennedy开始尝试在人脑中植入微电极，记录运动区的神经细胞放电，希望帮助一位完全丧失运动能力的残疾人恢复与外界的交流。因为电极数目限制，他的实验展示了可能性，但解读信号的准确率远没有达到实用要求。他的初步研究以及60年代Grey Walter医生的勇敢尝试，启发了一批从事运动功能神经电生理研究的学者，其中包括布朗大学John Donoghue、匹兹堡大学Andrew Schwartz、杜克大学Miguel Nicolelis、伯克利大学的Jose Carmena等。他们都曾长期从事灵长类运动神经电生理的研究，对于猴子大脑运动皮层神经细胞控制上肢运动的规律，有着深入的理解。上面我们提到手脚运动是由对侧的感觉运动带控制的，这只是个宏观的规律，进一步的问题是，手脚运动的方向、加速度、力量等这些参数是如何通过感觉运动带的神经细胞活动来编码的？

这个问题的研究可以一直追溯到现代神经科学的奠基人、1932年诺贝尔奖获得者Charles Sherrington。他发现肌肉的控制是由脊髓中的运动神经细胞协同完成的，并非简单的一对一的控制。这个协同编码( Population Coding )的思想启发了后来的大脑运动皮层神经编码的研究，特别是1980年代初，Apostolos Georgopoulos等人发现运动皮层神经细胞是用一种“民主投票”的方式协同编码手臂的运动方向的。如果把这些神经细胞的放电活动用向量来表示，向量的方向是这个细胞的喜好方向，向量的长度是每秒钟的放电次数（发放率），把所有能记录到的细胞的“放电向量” 用向量求和的方式加起来，得到的向量方向就是手臂要去的目标方向。

侵入式脑机接口的诞生

最初的侵入式脑机接口研究是在”训练有素“的猴子身上进行的。2002年Donoghue实验室的猴子可以用自己运动脑区的神经细胞活动控制计算机屏幕上的目标在二维平面自由移动，随后Schwartz实验室的猴子通过类似的脑机接口可以在三维空间做到自由控制，杜克大学Nicolelis实验室的猴子甚至可以遥控远在MIT的机械臂。随着电极植入技术和神经活动解读方法越来越精准，猴子可以通过脑机接口控制的参数个数越来越多。到了2008年，Schwartz实验室的猴子可以做到自如控制机械臂的10个自由度，并且用完全脑控的方式操作机械臂拿到了棉花糖喂自己，这向人们展示了侵入式脑机接口用于残疾人控制假肢的美好前景。

从灵长类到人类侵入式脑机接口的发展，应该感谢三位勇敢的重度残疾人。第一位是高位截瘫的病人Matthew Nagle，2006年他同意在自己的大脑运动皮层对应手部控制的区域植入了一个100通道的微电极阵列，这个电极阵列连接到Donoghue实验室研发的BrainGate脑机接口系统，实现了用“思维”控制屏幕光标，打开邮件，甚至玩乒乓游戏。不幸的是，第二年Matthew因为感染去世。第二位是Cathy Hutchinson，她因为中风丧失了运动能力，在BrainGate第二代脑机接口系统的帮助下，她在2012年控制机械手端起咖啡送到自己嘴边，开心地喝了一口，这是她中风15年来第一次。第三位是因为车祸截瘫的病人Ian Burkhart， 2016年在BrainGate第二代系统的帮助下，他的运动神经信号被翻译成电脉冲，来驱动他手臂上的肌肉刺激电极，让手臂肌肉按照自己的意愿重新活动起来，完成抓握、转腕、搅拌等动作，甚至可以弹两下吉他。过去15年，侵入式脑机接口取得了从“猴”到“人”的进步，除了神经科学家、生物医学工程师，神经外科大夫也在其中发挥了重要的作用，这三例临床实验涉及的技术细节非常复杂，无一例外都是这三方面研究者的团队合作。

侵入式脑机接口的挑战

看到这些激动人心的研究成果，大家也许会觉得侵入式脑机接口技术已经非常完美，临床应用已经近在咫尺，实则不然。到目前为止，已有15-20位重度残疾人参加侵入式脑机接口的临床实验，都碰到了一个难以攻克的问题：植入电极因为神经胶质细胞的包裹而逐渐失效，无法继续记录神经细胞的放电活动。上述临床实验中采用的都是犹他电极阵列（Utah Array)，虽然只有4x4毫米，但上面的100个硅电极微针是要穿透大脑表面，插入神经细胞之间，才能记录到神经放电信号，必然会造成神经胶质细胞的炎症反应。最糟糕的情况下，2-3个月这些电极就会逐渐实效，长一点可以坚持2-3年，但信号质量逐渐下降，脑机接口系统的工作性能也随之下降。如果这个问题不能很好解决，长期植入就无法实现，每2-3年做一次手术更换电极的代价太大。除此以外，神经信号的无线传输也是个难题。以上这些临床研究都在病人头部安装了有线的“插头”，来传送神经信号和供电，这大大增加了感染的风险。针对这两个难题，科学家考虑了很多办法，例如通过在电极表面增加抗炎因子来减轻胶质细胞的反应；无线低功耗的神经芯片也在研制当中，甚至有人提出采用纳米尘埃扩散到神经细胞周围去形成神经尘埃（Neural Dust），通过超声供电来获取神经信号等等。

为了解决这两个难题，2013年提出一种新的微创脑机接口思路：把神经电极只是埋入大脑皮层表面，不穿透皮层，通过少数几个电极的场电位，而不是神经放电活动，来建立脑机接口。这样可以避免神经胶质细胞的炎症反映和包裹，同时因为电极数目少，信号采样率低，可以很容易地实现无线采集和供电。这样的微创方案获取的神经信息要少于电极阵列，但长期可靠性强。为此，我们设计了一种新的脑机接口打字方法，把电极放在视觉脑区处理运动物体的高级区域，用这个区域内60赫兹以上的高频率场电位变化来分辨病人的注意力焦点，从而实现快速准确、长期稳定的脑电打字。

From Stephen Hawking to Matrix: Making Science Fiction Come True (3)Medium