腦機接口：癱瘓人士的希望

磊楓　錢站

一個不可忽視的事實是：腦機接口技術的發展和應用已是大勢所趨。

美國一名四肢癱瘓的男子30年來第一次自己吃飯，他沒用四肢，而是靠自己的大腦。

這名不幸的男子叫Robert Buz Chmielewski，少年時遭遇的一次沖浪事故，導致他四肢癱瘓。2019年，他接受了一次長達十小時的手術，醫護人員將六個電極植入他的大腦，以此來控制一對機械手臂。在約翰霍普金斯大學醫學院的合作下，Chmielewski現在能夠操縱假肢執行不同的任務，比如喂自己吃夾心小蛋糕。

Chmielewski說：“這真是太酷了！”視頻中，他用大腦命令機械臂給他切一塊海綿蛋糕，并喂到嘴邊吃下去。雖然過程仍有點費力，但最終他開心得笑起來了，其中的成就感是四肢健全的人難以想象的。當然，僅僅能靠自己吃飯還不夠，世界這么精彩，生活這么有趣，能親自體驗更多事物該多好。他說：“我希望能做得更多。”

借助腦機接口獲得行動力

回到16歲的那一年，馬里蘭州的一次沖浪事故徹底改變了Chmielewski的命運，導致他肩膀以下癱瘓，手腕和肩膀幾乎不能動彈。受夠了30多年無論做什么都要依靠別人的生活，49歲時，Chmielewski自愿加入約翰霍普金斯大學的研究項目。

2019年，Chmeilewski接受了手術，目標是改善其雙手對外界的感知，實現傳說中的意念控制。具體來講，Chmielewski的大腦兩側（控制運動和觸覺的區域）植入了皮質內微電極陣列傳感器。手術中項目團隊還用到了一種首創的方法，通過實時繪制大腦活動圖來確定放置電極的最佳位置。

Chmeilweki的左臂和右臂連接著三個電極，其他的連接到大腦區域，這些區域負責傳遞來自假肢手指的感覺反饋。

手術后幾個月，Chmeilweki就能夠通過由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室開發的腦機接口來控制機器手臂。

正如研究團隊成員、醫學博士、約翰霍普金斯大學醫學院理療與康復主任、教授Pablo Celnik 所說：“這種類型的研究，我們常稱其為腦機接口（BCI）。目前絕大多數嘗試都集中在通過控制大腦的一側實現單機械臂的控制。因此，通過植入電極從大腦兩側檢測信號，控制兩條機械臂執行基本的日常活動，可以說是實現更為復雜任務的重要一步。”

對此，研究團隊成員、約翰霍普金斯大學醫學院理療與康復助理教授Gabriela Cantarero博士補充道：“借助腦機接口同時控制兩條機械臂是一項特別的挑戰，因為它不是一個簡單的求和，不是說只要在大腦中算出左臂的動作+右臂的動作就行。在這里，可能1加1并不等于2，1加1或許等于3.8。”

腦機接口+機器人+人工智能

參與該項目的科學家們開始設計一個結合了人工智能、機器人和腦機接口的閉環系統。有了這個系統，Chmielewski就能操縱這兩個手臂來執行不同的任務。比如，先用手把蛋糕放在盤子上，然后一只手用刀切甜點，另一只手給自己喂食。

值得關注的是，這一突破性實驗其實是腦機接口+機器人+人工智能的共同成就——在患者體外的硬件部分，研究人員通過人工智能技術實現了機械臂控制的部分自動化。如果說Chmielewski的努力在于通過意識控制保證細節（如：蛋糕的準確位置、蛋糕切好后的具體大小），那么機器人部分的工作則是為了讓這些基本動作更易達成。

從事人機合作的APL高級機器人專家David Handelman說：“我們的目標是讓機器人假肢能夠在意念控制之外負責更多動作細節，比如吃食物時切多大塊、該從哪里切。通過將腦機接口信號與機器人以及人工智能的結合，我們可以讓人類專注于任務中最重要的部分。”

實際上，研究團隊一直在探索利用神經信號實現系統的“實時”控制。為了檢測效果，還有三位參與者加入了神經控制研究，最終三位參與者都成功實現了單機械臂神經控制。

該團隊還在研究通過神經刺激同時為患者雙手提供感覺反饋的方法。約翰霍普金斯大學應用物理實驗室神經科學家、智能假肢研究的首席研究員Francesco Tenore表示，下一步的工作包括：增加患者日常活動的數量和類型，從而證明這種形式的人機合作是可靠的，從而為用戶提供額外的感官反饋任務。這也就意味著，患者不必完全依靠視覺來判斷是否成功，就像普通人系鞋帶時不用看也能感覺到自己的動作，把鞋帶系好。

Chmielweski接受采訪時，談到這項研究對行動不便的人意味著什么。他說，像他這樣的殘疾人，被完全剝奪了一個人的獨立性，尤其是自己吃飯的能力。“能夠獨立做這些事情，同時還能和家人互動，這是一個重大改變。”

利用大腦植入物，四肢癱瘓的患者能夠用意識同時控制兩條假肢了，這對于脊髓高度損傷和神經肌肉疾病患者的能力恢復無疑有著重要意義。更多的患者會從這項突破性的實驗中受益。

或許有一天，雙仿生手臂系統也可以安裝在機器人上，去執行人類不喜歡的骯臟、危險或枯燥的任務。機器人可以探索和修復下水道或地下隧道，或者乘坐漫游車飛往火星挖掘巖石樣本。這聽起來很科幻，但實際上我們正一步步向這個方向邁進。

此外，值得一提的是，大腦控制兩條機械手臂實驗是五角大樓國防高級研究計劃局（DARPA）2006年開始的工作的延續。軍方的想法是迅速改進上肢假肢技術，并為用戶提供操作它的新方法。Chmielewski正在測試的兩只手臂中的一只曾在2018年被一名家住佛羅里達的男子使用過。這名男子用它來工作、演奏，甚至學習演奏了幾首鋼琴曲。

廣闊的未來

近年來，腦機接口領域的重大突破逐漸多了起來。

2020年1月16日，浙江大學正式宣布了“雙腦計劃”的科研成果，植入電極的志愿者可利用大腦運動皮層信號精準控制外部機械臂，實現三維空間的運動。

2020年4月23日，《細胞》（Cell）雜志刊登了一篇來自美國俄亥俄州的重磅研究論文，介紹了一個通過腦機接口系統來恢復嚴重脊髓損傷的患者手部觸覺和運動能力的案例，該案例中觸覺準確率已達到了90%。

在腦機接口領域，最吸引眼球的公司莫過于“硅谷鋼鐵俠”馬斯克的 Neuralink。2020年8月29日，Neuralink舉行發布會，展示了最新的可穿戴設備LINK V0.9和手術機器人，并通過現場的三只小豬和實時神經元活動演示，展示了 Neuralink腦機接口技術的實際應用過程。

即便馬斯克在電動車、腦機接口、上火星等領域都十分激進，但在萬眾期待的Neuralink發布會上，馬斯克請來現場展示的仍然不是人類，腦機接口技術的難度由此可見一斑。

值得一提的是，上述三例均屬于“侵入式腦機接口”，即必須將電極植入到人腦中，而與之對應的“非侵入式腦機接口”則僅是將電極放置在人的頭皮上進行信號采集。

談起后者，繞不開一位中國企業家——盛大集團創始人陳天橋。在腦機接口方面，陳天橋更為注重的是“非侵入式腦機接口”。2020年10月，TCCI（陳天橋雒芊芊研究院）的首個“腦科學前沿實驗室”在上海落成，中美腦科學研究領域的最新成果也一并展示，其中諸如用嗅覺控制夢境的腦科學領域研究令眾人眼前一亮。

實際上，目前國內外已有眾多企業開始了非侵入式的探索，利用人工智能算法、體外電極貼、手機APP檢測睡眠質量、解決睡眠問題的嘗試已然存在。

不論哪種方式會更先被大眾認可，一個不可忽視的事實是：腦機接口技術的發展和應用已是大勢所趨。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）