相信大家都有過這樣的幻想,，比如用大腦的意念來移動(dòng)物體，亦或是在頭上連接一根電線把資料從電腦傳輸進(jìn)大腦……在很多科幻電影中更是不乏“意念操控”的情節(jié)，當(dāng)人們都在無限向往,、這些還只停留在幻想階段的時(shí)候,，科學(xué)家已經(jīng)通過新型技術(shù)將這個(gè)“幻想”一步步推向了現(xiàn)實(shí)。來自美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究團(tuán)隊(duì),，對(duì)一位癱瘓患者雙邊植入了腦機(jī)接口（BCI）,，并用腦機(jī)接口控制兩只機(jī)械臂使用餐刀餐叉實(shí)現(xiàn)自主進(jìn)食。借助腦機(jī)接口,，人的大腦可以控制外部?jī)芍粰C(jī)械臂完成一系列復(fù)雜精細(xì)動(dòng)作，這項(xiàng)試驗(yàn)的成功意味著今后能夠通過腦機(jī)接口讓癱瘓或患有運(yùn)動(dòng)障礙的人恢復(fù)行動(dòng)能力,。▲圖｜相關(guān)論文（來源：Frontiers in Neurobotics） 基于“雙邊植入”腦機(jī)接口,，可共享控制兩只機(jī)械臂
這項(xiàng)研究工作最早開始于三年前,，彼時(shí)，該研究的試驗(yàn)者 Robert 已經(jīng)癱瘓了三十余年,，他因?yàn)橐淮问鹿手械募顾钃p傷導(dǎo)致肩膀以下完全癱瘓,，胳膊手腕也只剩下微弱的功能，從此再也無法像正常人一樣生活,。2019 年,，他同意加入約翰·霍普金斯大學(xué)發(fā)起的這項(xiàng)名為“假肢 RP 計(jì)劃”研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是讓試驗(yàn)者能夠自由控制外部設(shè)備同時(shí)還能夠感知到接觸肢體的物理刺激,。在美國(guó)馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯醫(yī)院進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 10 個(gè)小時(shí)的開顱手術(shù)后,，研究團(tuán)隊(duì)成功地把 6 個(gè)微型電極陣列植入進(jìn) Robert 大腦的兩側(cè)，其中,，3 個(gè)電極植入在運(yùn)動(dòng)皮層,，3 個(gè)電極植入在感覺皮層，這些電極只有綠豆粒大小,，它們通過非常細(xì)的電纜延伸到大腦外部并與計(jì)算機(jī)連接,，以采集和分析大腦神經(jīng)信號(hào)。▲圖｜基于腦機(jī)接口的雙手機(jī)械臂控制系統(tǒng)（來源：Frontiers in Neurobotics）植入的電極陣列可以繞過受損傷的脊髓神經(jīng)來直接獲取運(yùn)動(dòng)/感覺信號(hào),，借助電纜連接計(jì)算機(jī)以及機(jī)械臂,，如此一來，大腦輸出的神經(jīng)信號(hào)就可以向機(jī)械臂發(fā)送指令,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制,，相反的，電極陣列也能輸出電脈沖并“刺激”負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)/感覺的大腦皮層區(qū)域,，進(jìn)而形成觸覺,。對(duì)于這項(xiàng)試驗(yàn)，研究人員表示，在此之前,，類似的腦機(jī)接口研究主要從大腦的一側(cè)采集信號(hào),，只能控制一只機(jī)械臂，而從大腦兩側(cè)采集信號(hào)并同時(shí)控制兩只機(jī)械臂進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作,，是一次前所未有的嘗試,。這項(xiàng)研究是世界上首個(gè)大腦“雙邊植入”腦機(jī)接口試驗(yàn)，也意味著腦機(jī)接口能夠?qū)崿F(xiàn)更多,、更復(fù)雜的任務(wù)控制,。“同時(shí)控制兩只機(jī)械臂的腦機(jī)接口系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@并不是簡(jiǎn)單的 1 加 1 等于 2,，而是需要綜合計(jì)算從大腦信號(hào)輸出到雙機(jī)械臂操作流程等的所有信息,。盡管目前這項(xiàng)試驗(yàn)的成功只是第一步，但我們很高興能夠?yàn)榘c瘓患者提供幫助,，為他們帶來能夠恢復(fù)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備,。”該論文的通訊作者,、約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 Francesco Tenore 博士說,。
▲圖｜腦機(jī)接口操控機(jī)械臂的機(jī)制（來源：Nature）通過剛植入的腦機(jī)接口系統(tǒng)無法直接進(jìn)行兩只機(jī)械臂的操作，而是需要長(zhǎng)期的訓(xùn)練和學(xué)習(xí),，所以,，在手術(shù)后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，Robert 通過 APL 開發(fā)的腦機(jī)界面不斷學(xué)習(xí)同時(shí)控制兩只機(jī)械臂的方法,。伴隨著這項(xiàng)試驗(yàn)還公布了一段視頻,。在演示視頻中，Robert 用自己的“意念”控制著兩個(gè)機(jī)械臂,，左手用餐刀切下一小塊蛋糕,，右手用餐叉將蛋糕緩緩舉起并送入口中。▲圖｜通過腦機(jī)接口進(jìn)行自主進(jìn)食（來源：APL）整個(gè)動(dòng)作流程耗時(shí)一分多鐘,，這對(duì)于正常人來說簡(jiǎn)直輕而易舉,，但是對(duì)于癱瘓患者卻是一件不可能完成的事情。經(jīng)過了 9 個(gè)多月的練習(xí),，他得以順利地完成整套動(dòng)作,。“這種感覺非常棒,，同時(shí)也讓我非常有成就感,，我希望未來還能用這套腦機(jī)接口裝置做更多事情”。Robert 說道,。“關(guān)于這項(xiàng)試驗(yàn)接下來工作,，第一,，更廣闊的應(yīng)用范圍，涵蓋更多的日常生活場(chǎng)景,；第二,，更精準(zhǔn)的觸覺反饋，試驗(yàn)者在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠獲得額外的感官反饋,，而不是僅僅依賴視覺判斷自己是否成功,。”Francesco Tenore 表示,。研究團(tuán)隊(duì)表示,，下一步他們將基于此次的研究成果來幫助截肢人群通過腦機(jī)接口控制假肢運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)他們的行動(dòng)能力,。“我們最終的目標(biāo)是讓吃飯等各種日?；顒?dòng)變得更為容易，讓機(jī)器人完成大部分執(zhí)行工作,，而人只負(fù)責(zé)思考細(xì)節(jié)，比如吃什么食物,、切在哪里等,，通過把腦機(jī)接口、機(jī)器人,、人工智能相結(jié)合,，我們可以讓人們專注于任務(wù)的'決策權(quán)’部分?！痹撜撐牡牡谝蛔髡?、約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 David Handelman 博士總結(jié)道。侵入式腦機(jī)接口是未來趨勢(shì)據(jù)了解，NeuroPort 系統(tǒng)是一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，能夠?qū)ι窠?jīng)信號(hào)執(zhí)行多種在線處理算法,，可用于記錄和監(jiān)測(cè)腦電活動(dòng)等，該系統(tǒng)的神經(jīng)信號(hào)處理器能夠?yàn)?16 個(gè)輔助模擬通道,、128 個(gè)電極提供實(shí)時(shí)運(yùn)算處理,。值得一提的是，該裝置已經(jīng)獲得了 FDA 的批準(zhǔn),。
▲圖｜NeuroPort 電極陣列（來源：公司官網(wǎng)）Blackrock Neurotech 成立于 2008 年,，總部位于猶他州鹽湖城，專注于開發(fā)能夠改善人類生活的侵入式腦機(jī)接口設(shè)備和技術(shù)平臺(tái),。去年 5 月,，該公司宣布完成了 1000 萬美元的融資。前不久，該公司宣布收購(gòu)空間計(jì)算軟件公司 MindX,，整合該公司的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和腦機(jī)接口/人工智能（BCI/AI）技術(shù),。Blackrock Neurotech 稱，侵入式腦機(jī)接口目前被用于恢復(fù)癱瘓和神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者,，其已被證明可以恢復(fù)運(yùn)動(dòng),、交流和觸覺，從而提高患者的生活質(zhì)量,。該公司表示,，預(yù)計(jì)在 2023 年初將會(huì)發(fā)布旗下首個(gè)商業(yè)腦機(jī)接口平臺(tái)“MoveAgain”。腦機(jī)接口（Brain Computer Interface,，BCI）,，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大腦與外界設(shè)備信息交換的裝置，是在人（或動(dòng)物）的大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接通路,，其能夠獲取大腦神經(jīng)信號(hào)并進(jìn)行解碼和翻譯,，讓外部設(shè)備替代肢體執(zhí)行各種動(dòng)作或功能。其實(shí),，腦機(jī)接口的概念很早就誕生了,，但一直到上世紀(jì)九十年代后才逐漸有階段性成果出現(xiàn)。1999 年,，哈佛大學(xué)的研究人員開展對(duì)貓丘腦外側(cè)膝狀體神經(jīng)元放電信號(hào)進(jìn)行采集和分析,；2008 年，匹茲堡大學(xué)試驗(yàn)猴子通過腦機(jī)接口控制機(jī)械臂給自己喂食,，這也是首次基于動(dòng)物的“意念操控”,，而這在中國(guó)也有案例，2020 年,，浙江大學(xué)對(duì)一名癱瘓患者實(shí)施國(guó)內(nèi)首例“腦機(jī)接口”手術(shù),，通過“單邊植入”腦機(jī)接口可以操控一只機(jī)械臂拿飲料、吃油條,，以及握手等動(dòng)作,。▲圖｜浙江大學(xué)完成中國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口手術(shù)（來源：浙江大學(xué)官網(wǎng)）2020 年，馬斯克的腦機(jī)接口公司 Neuralink 通過豬展示了可實(shí)際運(yùn)作的腦機(jī)接口和自動(dòng)植入手術(shù)設(shè)備,；2021 年,，該公司展示了一只獼猴植入腦機(jī)接口并經(jīng)過訓(xùn)練后，可以用大腦控制光標(biāo)在屏幕上移動(dòng),?！?Neuralink 推出的第一款產(chǎn)品可能是幫助癱瘓患者用大腦操控手機(jī)，未來的產(chǎn)品形式可能是將大腦神經(jīng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)/感覺刺激,，比如幫助癱瘓患者重新行走,?！?a style="font-size:16px;" href="">馬斯克在社交平臺(tái)表示。現(xiàn)階段,，腦機(jī)接口主要分為侵入式和非侵入式,。顧名思義，侵入式腦機(jī)接口需要進(jìn)行開顱手術(shù)或者顱骨鉆孔將電極陣列植入到大腦皮層中,，這種方式獲取的信號(hào)更保真,，但可能會(huì)帶來一些副作用，比如上文提到的這項(xiàng)試驗(yàn),，植入 Robert 大腦的 NeuroPort 電極陣列雖然能夠在大腦中維持長(zhǎng)達(dá)五年的時(shí)間,，但在此期間也可能會(huì)出現(xiàn)感染或出血的風(fēng)險(xiǎn)。非侵入腦機(jī)接口,，也稱“腦電帽”,，一般采用外部佩戴的方式，雖然不會(huì)對(duì)人體造成傷害,，但獲得的信號(hào)非常微弱,，準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性都有限制。大腦中的神經(jīng)元通過電信號(hào)（頻率范圍在 2-20000Hz 之間）執(zhí)行功能,，這也是腦機(jī)接口所需要獲取的信號(hào),。然而，電信號(hào)由大腦的神經(jīng)元發(fā)出,，經(jīng)過組織、顱骨等傳導(dǎo)到腦外,，高頻信號(hào)大幅衰減,，因此在腦外只能采集到＜100Hz 的低頻信號(hào)。“所以,，非侵入式的腦機(jī)接口設(shè)備（如腦電帽）只能執(zhí)行一些初級(jí)功能,，比如在安靜的環(huán)境中監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量等。在我看來,，非侵入式腦機(jī)接口更多的應(yīng)用僅僅是一種輔助手段,，而侵入式腦機(jī)接口才是真正能給我們帶來顛覆性變革的技術(shù)。比如,，對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究和治療,，甚至未來對(duì)于人體機(jī)能增強(qiáng)、記憶的讀寫等,，只能通過侵入式腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn),。” NeuraMatrix（寧矩科技）聯(lián)合創(chuàng)始人白碩博士在先前的采訪中告訴生輝,。1.https://www./articles/10.3389/fnbot.2022.918001/full2.https://cdn./players/GChd6rmd-PwbzrNuA.html3.https:///news/2020-12-quadriplegic-patient-brain-advanced-prosthetic.html4.https://www./About/History5.https:///medical/first-bilateral-brain-implant-two-arms/
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