大腦說什么，腦機接口知道

衣曉峰

2020年8月，特斯拉公司的創始人馬斯克向媒體公布了自己麾下公司的一項重大成果——最新的腦機接口技術。

研究人員將一枚只有硬幣大小的腦機接口設備植入豬腦中，建立了大腦與外界的聯系。當這個豬的鼻子觸碰到外界物體時，它腦內的神經活動有對應的反應，這表明這個植入裝置采集了正確的神經信息。這個植入裝置放進去兩個月后，他們把這個小豬放在一個跑步機上，從它腦內的神經信號可以看出它走路的節律。馬斯克說，這個設備已經申請到創新性醫療器械，下一步可以植入人腦了。

有專家借用美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗的話來評論這項技術：“這是個人邁出的一小步，但卻是人類邁出的一大步。”

科幻大片一步步走向現實

那么，“吃瓜”群眾的問題來了：人們能夠利用自己的大腦意念控制物體嗎？電影《阿凡達》中所有生物的意識都能與機器連接的場景，會不會變成現實？給大腦安上電極或芯片，就能操縱想象中的一切事物，讓萬物互聯、萬物智能、人機互動了嗎？

如果說，《阿凡達》所描述的場景離我們還有些遙遠的話，那么這個攝制組拍的另一部科幻電影《阿麗塔：戰斗天使》，所講述的醫生從垃圾堆撿到一個小女孩的腦袋，給她做了一個身體，實現了人腦組織和機械體共融的故事，則離我們越來越近。

臨床上，癱瘓是神經系統常見的癥狀，表現為隨意運動功能的減低或喪失，是神經、神經肌肉接頭或肌肉疾病所致。

近年來，基于運動想象的腦機接口技術，其原理涉及腦電信號中包含與肢體運動相關的信息。當大腦開始執行運動想象任務時，通過深入挖掘相應的運動特征，可對人體運動意圖進行識別，進而驅動機械臂等外部設備，真正做到靠意念來控制。

癱瘓病人因此有望憑借意念舉起紙杯，翻閱報紙，實現意圖表達。而如何采集盡可能少的腦電信號通道，同時確保較高的運動意圖識別精度，是現今便攜式可穿戴設備產品化、市場化的重要保證。

真正實現用大腦“說話”

哈爾濱工業大學博士曹天傲指出，人腦的電信號蘊含了大量豐富的生理信息，如疲勞程度、專注度、情感、疼痛位置及強度、睡眠深度、麻醉深度和肢體運動意圖等。通過深入挖掘腦電信號中的特征，可以客觀、準確地反映人體當前的生理狀態。故腦機接口技術不依賴外周神經和肌肉組織，就能直接構筑人腦與外部設備的通信渠道，即使對于因腦卒中等疾病而癱瘓的病人，也可以從其腦電信號中檢測出運動意圖，真正實現用大腦“說話”。

那么，腦電信號中具體包括運動意圖的哪些特定信息？如何捕捉腦電信號來判斷運動意圖？怎樣保證運動意圖判斷的準確性？針對這些問題，哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院孫金瑋教授及其團隊成員曹天傲、王啟松等人自2018年到現在，已經在《物理學雜志》《測量科學與技術》等多個國際期刊發表了一系列學術文章，從專業角度解決了上面一個個難題，為開啟人類腦電信號未知的“大門”，鑄造了一把“金鑰匙”。

找捷徑采集運動意圖信號

許多肢體癱瘓病人的大腦損傷很小，仍具有良好的功能，只是中間傳遞運動信號的神經、神經肌肉接頭或肌肉受傷，故可以通過腦機接口技術探尋腦電信號并探尋運動的意圖所在。曹天傲解釋，患者需要執行運動想象任務，即想象自己某一肢體的運動，但實際上該肢體保持不動，病人只是進入單純的肢體運動想象場景。此時腦電波會呈現相應特征，研究人員將采集到的腦電信號進行噪聲去除后，提取出運動相關特征，即可對病人運動意圖做出預測識別。

傳統思路是用盡可能多通道的腦電信號采集全面的信息，并利用算法提取運動意圖特征，最后用專業的分類法提升意圖預測的準確率。但這樣的方法使實驗操作更復雜，運算更耗時，設備更龐大，不利于實際產品的市場化。

孫金瑋團隊則是在控制運動意圖識別準確率保持在一定范圍內的基礎上，通過對分析方法的改進，對腦電信號的采集通道展開權重分析，逐一判斷每個通道的貢獻大小，據此對通道權重展開排序，之后觀察高權重通道的采集數量與最終運動意圖識別準確率問的關系。結果發現，利用大約25%的通道已經能達到令人滿意的識別率。而當增加采集通道數時，準確率無明顯變化，甚至出現下降趨勢。

孫金瑋教授強調，這種“做減法”的腦區最佳通道選擇策略，在保證大腦運動意圖識別準確性的同時，借助盡可能少的采集通道，可以對頭腦中的運動想象動作給出準確預測。癱瘓病人可以通過運動想象來控制外部設備，例如通過調控機械臂完成不同動作，抓取傳遞物體，喝水進食等，真正實現了“意念控制”的目的。

癱瘓病人也能“健步如飛”

腦機接口通過解碼和揭示人類思維活動過程中的腦神經信號，構建起大腦與外部世界的直接“信息公路”，對肌萎縮性脊髓側索硬化癥、帕金森病、特發性震顫、高位截癱等重度運動障礙疾病的治療意義重大，可望取得全新的突破。

黑龍江省農墾總醫院康復中心主任張俊教授認為，癱瘓病人完全可以利用其腦電信號，配合外部智能設備，如機械手、假肢、外骨骼、康復機器人等，進行意圖的表達與動作的執行。臥床不起的人，可以通過腦電信號，操控外部的智能機械手幫助自己移動物體，完成喝水吃飯。截肢患者往往生活不便，被籠罩在身體和心理的雙重陰影下，而智能假肢的使用能夠按照他們自己的大腦指令來完成動作，如借助腦控智能假腿站起來，甚至驅動假腿走路、上下樓梯，以及高速奔跑等，重返“陡步如飛”的狀態。

腦卒中及脊髓損傷病人也完全可以憑借腦控智能機器人，開展康復訓練，完成程序繁瑣而又高難細致的指定動作。張俊認為，在康復進程中，患者大腦的電波活動反映了本人的強烈渴望和主動參與的意愿，這種主動參與性誘導了大腦神經通路的恢復，神經系統得到重塑和修復，有望讓傷殘者喪失已久的肢體運動功能“失而復得”。

展望未來，曹天傲博士指出，許多工種的勞動者經常要搬動沉重的貨物，天長日久免不了腰肌勞損、腰彎背駝等問題。而一旦有了智能外骨骼的助力，搬運工人可通過自己的腦電活動，指揮外骨骼“大力士”協助搬運大件物體。毋庸置疑，外骨骼勝任的重量往往是人類本身最大力量的數倍。配備外骨骼的工人可代替叉車，將艱苦的勞動變得簡單輕松。

這樣的愿景，在中外科學家的努力下，不再遙不可及。