侵入式腦機(jī)接口技術(shù)：從運(yùn)動控制到語言假體

腦機(jī)接口的定義

腦機(jī)接口是神經(jīng)科學(xué)、電子信息、人工智能、醫(yī)學(xué)、材料等多個學(xué)科交叉的新興前沿研究領(lǐng)域?；魻栫辏╓olpaw）等人在其著作《腦機(jī)接□：原理與實踐》（Brain-computerinterfaces：principlesandpractice）中定義腦機(jī)接口（BCI）是一個通過檢測中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動并將其轉(zhuǎn)化為人工輸出來替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常輸出的，由此改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)與內(nèi)外環(huán)境之間持續(xù)交互作用的系統(tǒng)。

人類與環(huán)境交互是一個閉環(huán)雙向的過程，這一過程的核心是人腦處理感知、控制和運(yùn)動輸出等多種功能（圖1）。首先，感知功能是指大腦如何接收和解讀來自我們五官感覺（視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺）的信息。這些信息通過相應(yīng)的感受器官收集后，轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，通過神經(jīng)元傳遞到大腦的不同區(qū)域進(jìn)行處理和解讀。其次，控制功能涉及大腦如何基于接收到的信息和已有的記憶或知識，做出決策并指揮身體作出反應(yīng)。這包括日常的自主活動，如呼吸和心跳，以及更為復(fù)雜的情感表達(dá)和思考過程。大腦的前額葉尤其在這方面起著核心的調(diào)控作用，負(fù)責(zé)高級認(rèn)知功能如解決問題、規(guī)劃和執(zhí)行決策等。最后，運(yùn)動輸出功能是大腦如何指揮身體的運(yùn)動。這主要由大腦的運(yùn)動皮層控制，該區(qū)域生成關(guān)于身體運(yùn)動的指令，通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到肌肉，引起相應(yīng)的動作，其中不同軀體位置的運(yùn)動控制對應(yīng)不同的皮層區(qū)域。這三個功能一感知、控制和運(yùn)動輸出一共同使得大腦能夠有效地與外界環(huán)境交互，支持我們的日常活動和復(fù)雜的行為表現(xiàn)。

由于腦疾病和外傷，人們可能會遇到各種神經(jīng)功能障礙，其中包括運(yùn)動功能障礙和失語癥等。這些疾病對患者的日常生活和溝通能力造成重大影響。而在很多情況下，這些患者的大腦中，負(fù)責(zé)控制和產(chǎn)生運(yùn)動輸出的部分依然完整，只是下行通路受到了阻斷。腦機(jī)接口技術(shù)提供了一種革命性的方法，用于幫助因腦疾病和外傷而遭受運(yùn)動功能障礙和失語癥的患者恢復(fù)功能。這項技術(shù)通過直接解讀大腦的神經(jīng)活動，使患者能夠控制外部設(shè)備或計算機(jī)系統(tǒng)，從而繞過傳統(tǒng)的神經(jīng)肌肉通路（圖2）。

腦機(jī)接口系統(tǒng)根據(jù)信號采集方式的不同，主要可以分為非侵入式和侵入式兩種類型，各自具有獨(dú)特的特點和應(yīng)用場景。其中侵入式BCI系統(tǒng)通過手術(shù)將電極直接植入大腦，從而獲得更加精確和高質(zhì)量的神經(jīng)信號。這種方法包括皮層下植入和皮層表面植入兩種形式。侵入式BCI能夠直接捕獲大腦皮層的電活動，提供更高的信號分辨率，使得控制的精度和反應(yīng)速度大為提升。因此，侵入式BCI特別適用于那些對控制精度要求極高的應(yīng)用，如精細(xì)的機(jī)械臂控制或復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

在人類的運(yùn)動輸出中，手和口的動作尤其重要且常見。手部運(yùn)動覆蓋了從精細(xì)的小肌肉控制（如寫字、繪畫、打字）到力量和協(xié)調(diào)性要求較高的動作（如舉重、推拉物體）。這些動作由大腦的運(yùn)動皮層精密控制，特別是與手部運(yùn)動相關(guān)的區(qū)域，它們生成詳細(xì)的神經(jīng)命令，這些命令通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到手部的各個肌肉?？诓窟\(yùn)動則主要涉及說話等功能，這些都是社交和生存的基本需求。說話不僅需要聲帶的運(yùn)動，還涉及唇部、舌頭和顎部的協(xié)調(diào)運(yùn)動，這些都由大腦特定區(qū)域如語言中樞控制。在圖1所示的“皮質(zhì)小人”圖中，不同器官的相對尺寸大小對應(yīng)了相應(yīng)的控制器官運(yùn)動的皮質(zhì)區(qū)域面積，可見手部和口部是最大的兩個運(yùn)動控制區(qū)域。手和口的這些運(yùn)動輸出功能顯示了大腦在日常生活中的核心作用，無論是在基本的生理需求還是在復(fù)雜的人際交往中，手和口的活動都是人類互動和表達(dá)自身的主要方式。而與之相對應(yīng)的，解碼精細(xì)運(yùn)動和語言，往往需要侵入式記錄技術(shù)。

侵入式運(yùn)動腦機(jī)接口

侵入式運(yùn)動腦機(jī)接口系統(tǒng)利用植入大腦運(yùn)動皮層的電極來直接記錄與肢體運(yùn)動相關(guān)的神經(jīng)活動。這一系統(tǒng)的核心在于解析和利用大腦內(nèi)部運(yùn)動控制的神經(jīng)機(jī)制，特別是運(yùn)動皮層中的神經(jīng)編碼過程。運(yùn)動皮層位于大腦的額葉，是負(fù)責(zé)規(guī)劃、控制和執(zhí)行自愿肢體運(yùn)動的關(guān)鍵區(qū)域。在這一區(qū)域中，不同的神經(jīng)元群組被激活以響應(yīng)不同類型的軀體肌肉運(yùn)動。例如，某些神經(jīng)元在計劃或執(zhí)行手部動作時活躍，而其他神經(jīng)元則在腿部動作時活躍。這些神經(jīng)元通過發(fā)放電信號（動作電位）來編碼特定的運(yùn)動指令，例如手臂的上下左右不同方向的運(yùn)動。喬治奧普洛斯（Georgopoulos）等人在1980年代的一系列里程碑式的工作，揭示了靈長類動物的運(yùn)動皮層內(nèi)神經(jīng)元活動編碼表達(dá)和控制手臂運(yùn)動的基本原理，為侵入式運(yùn)動腦機(jī)接口的發(fā)展奠定了理論根基。

侵入式BCI系統(tǒng)通過精確放置的微電極陣列捕獲這些電信號。這些微電極能夠檢測到單個或少數(shù)幾個神經(jīng)元的活動，從而獲取關(guān)于預(yù)期運(yùn)動的高分辨率和高精度的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)隨后被傳輸?shù)酵獠刻幚砥?，其中特定的解碼算法被用來解釋這些電信號。解碼算法根據(jù)神經(jīng)信號的模式，確定用戶的運(yùn)動意圖，如移動手臂或握拳。一旦確定了意圖，這些信號就會被轉(zhuǎn)化為具體的命令，用以控制外部設(shè)備，如計算機(jī)光標(biāo)、假肢或機(jī)械臂。這種直接從大腦到設(shè)備的信息傳輸，使得侵入式BCI能夠提供快速和精確的控制，為重度運(yùn)動障礙患者提供了行動自由和提高生活質(zhì)量的可能。

基于這樣的原理，在過去近20年間，侵入式運(yùn)動腦機(jī)接口領(lǐng)域經(jīng)歷了多項重大突破，這些進(jìn)展極大地推動了技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用。2000年代早期，科學(xué)家開始將侵入式BCI系統(tǒng)用于人類臨床試驗。例如，基于猶他電極（Utaharray）的侵入式BCI系統(tǒng)臨床試驗顯示，慢性截癱和四肢癱瘓患者能夠利用他們的大腦活動來控制外部設(shè)備，如電腦光標(biāo)和機(jī)械臂，實現(xiàn)多自由度的精確運(yùn)動控制。近年來，一些研究開始集成觸覺反饋到侵入式BCI系統(tǒng)中，通過模擬自然的觸覺感受，使用戶能夠在使用BCI控制的假肢時獲得關(guān)于力度和位置的直接反饋，這增加了系統(tǒng)的自然性和使用者的適應(yīng)性。為了提高患者的生活質(zhì)量和系統(tǒng)的便攜性，科學(xué)家努力開發(fā)小型化和無線化的腦植入設(shè)備。這些設(shè)備減少了感染風(fēng)險，提高了患者的舒適度，并擴(kuò)展了BCI的日常應(yīng)用范圍。

基于這類精細(xì)運(yùn)動控制系統(tǒng)，癱瘓病人能夠?qū)崿F(xiàn)較為高效且精準(zhǔn)的光標(biāo)控制，從而實現(xiàn)與電腦的交互，以及通過打字實現(xiàn)每分鐘10個英文單詞左右速度的語言輸出。2021年，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊基于2個植入在手部運(yùn)動區(qū)的猶他電極解碼想象手寫字母的精細(xì)運(yùn)動軌跡，從而實現(xiàn)了每分鐘90個字符（約15個單詞）輸出速度的意念想象運(yùn)動腦機(jī)接口。

基于猶他電極的侵入式BCI系統(tǒng)臨床試驗顯示，慢性截癱和四肢癱瘓患者能夠利用他們的大腦活動來控制外部設(shè)備，如電腦光標(biāo)和機(jī)械臂，實現(xiàn)多自由度的精確運(yùn)動控制。

語言腦機(jī)接口和語言假體

雖然基于運(yùn)動腦機(jī)接口可以實現(xiàn)鍵盤輸入從而實現(xiàn)語言交流，但這種方式仍依賴間接的交流手段，其信息傳遞速率極為受限，僅為每分鐘10個單詞左右，而人類日常的自然語言交流速度大約為每分鐘150個單詞。因此如何構(gòu)建腦機(jī)接口系統(tǒng)實現(xiàn)更為自然高效的信息傳輸成為重要的研究方向。語言表達(dá)可以被視為一種精細(xì)且復(fù)雜的運(yùn)動控制過程，涉及大腦、聲帶、口腔以及面部肌肉的協(xié)調(diào)工作。這些運(yùn)動由大腦的特定區(qū)域，如布洛卡區(qū)、口唇運(yùn)動區(qū)、咽喉聲帶運(yùn)動區(qū)等，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制。因此，跳過鍵盤光標(biāo)等間接的通信設(shè)備，利用基于運(yùn)動控制的腦機(jī)接口技術(shù)構(gòu)建語言假體實現(xiàn)直接的語言交流，尤其對于那些因疾病或傷害而失去傳統(tǒng)語言能力的人來說，是一種具有潛力的解決方案。

運(yùn)動控制BCI系統(tǒng)通常依賴大腦運(yùn)動皮層的信號。對于語言表達(dá)，這意味著可以通過監(jiān)測與語言產(chǎn)生相關(guān)的大腦區(qū)域的活動來實施。這些區(qū)域在準(zhǔn)備和執(zhí)行語言表達(dá)時活躍，例如在形成要說的單詞和句子時。近年來，隨著侵入式顱內(nèi)腦電和電生理技術(shù)的發(fā)展，一系列的研究深入揭示了這些與語言產(chǎn)生相關(guān)的大腦區(qū)域的神經(jīng)編碼控制原理。2013年加州大學(xué)舊金山分校的研究者在《自然》（Nature）上發(fā)表研究，通過高密度顱內(nèi)腦電揭示了額葉腹側(cè)感知運(yùn)動皮層在自然語言表達(dá)生產(chǎn)過程中存在與口、唇、舌、咽等構(gòu)音器官相對應(yīng)的空間功能結(jié)構(gòu)分布。2018年，該團(tuán)隊運(yùn)用高密度顱內(nèi)腦電進(jìn)一步揭示了腹側(cè)感知運(yùn)動皮層編碼表達(dá)了與不同語音元素相對應(yīng)的多構(gòu)音器官協(xié)作的構(gòu)音運(yùn)動軌跡。理論上，通過侵入式或非侵入式電極捕捉這些神經(jīng)活動，BCI系統(tǒng)可以解碼意圖并轉(zhuǎn)換為電子語音輸出?；谶@樣的理論框架，2019年，該團(tuán)隊在喉部關(guān)節(jié)運(yùn)動監(jiān)測輔助下，基于高密度皮層腦電進(jìn)行腦電到構(gòu)音器官運(yùn)動再到聲音頻譜的英語短句語音兩步合成，在癲癇患者上高清晰度地合成了“ The proof you are seeking is not available inbooks”（你所尋找的證據(jù)在書中是找不到的）等句子?；谶@些發(fā)現(xiàn)，2021年，同一團(tuán)隊在一名志愿者的腦中植入了電極，首次實現(xiàn)了非手術(shù)狀態(tài)下的實時高密度皮層腦電-英語短句語音合成和語音互動。2023年，該團(tuán)隊在《自然》上報道了基于高密度皮層電極的腦電到英文語音/文字/面部口唇運(yùn)動的復(fù)合多模態(tài)合成，并實現(xiàn)了平均每分鐘78個單詞的解碼合成速度。斯坦福大學(xué)團(tuán)隊在《自然》上同期報道了基于猶他電極的腦電到英文語音合成，實現(xiàn)平均每分鐘62個單詞的解碼合成速度。2024年，加州大學(xué)戴維斯分校的團(tuán)隊報道了一例植入4個猶他電極的癱瘓失語患者，通過語言腦機(jī)接口實現(xiàn)了在125000個單詞的英文詞匯庫上以每分鐘32個單詞的速度達(dá)到超過 97% 的解碼準(zhǔn)確率。此外，2023年，復(fù)旦大學(xué)和上?？萍即髮W(xué)的研究者運(yùn)用術(shù)中高密度皮層腦電監(jiān)測膠質(zhì)瘤患者腦運(yùn)動感知皮層在朗讀漢語時產(chǎn)生的電活動，基于漢語特殊的聲調(diào)編碼控制特性，實現(xiàn)高密度皮層腦電到帶聲調(diào)漢字語音和連續(xù)語句的直接合成，將語言腦機(jī)接口的應(yīng)用拓展到了覆蓋全球超過一半人口的聲調(diào)語言上。

語言腦機(jī)接口的應(yīng)用為受語言障礙影響的人群打開了一扇大門，尤其是那些患有失語癥、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）或其他因素導(dǎo)致語言功能喪失的患者。通過將他們的神經(jīng)活動直接轉(zhuǎn)化為語言，BCI可以繞過肌肉控制的聲道，使患者能夠再次與外界有效溝通。

盡管這一方法具有巨大的潛力，但在實際應(yīng)用中仍面臨一系列挑戰(zhàn)。首先，語言表達(dá)的大腦過程非常復(fù)雜，涉及多個大腦區(qū)域的細(xì)微協(xié)調(diào)。目前的研究主要聚焦在控制口唇運(yùn)動的感知運(yùn)動皮層，但語言交流包含更高維度的語義、句法、語用等層次。高層語言結(jié)構(gòu)并非局限于局部皮層活動，而是依賴廣泛的跨區(qū)域協(xié)同，如額葉-顳葉網(wǎng)絡(luò)。這一層次的神經(jīng)表征尚不完全清晰，因此，準(zhǔn)確地捕捉和解碼這些復(fù)雜的神經(jīng)模式是一大挑戰(zhàn)。此外，當(dāng)前的BCI系統(tǒng)通常需要用戶接受長時間的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)如何控制其大腦活動以生成可識別的命令，BCI系統(tǒng)在實際應(yīng)用中面臨電極漂移、信號退化、皮層反應(yīng)變化等問題，導(dǎo)致解碼準(zhǔn)確率隨時間波動。最后，BCI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)、授權(quán)機(jī)制、用戶控制權(quán)需法律與倫理雙重約束，目前仍是空白。

展望未來

侵入式BCI技術(shù)是一種革命性的科技，它將大腦的神經(jīng)活動與外部設(shè)備直接連接，從而提供了恢復(fù)和增強(qiáng)人類功能的潛在可能。未來的發(fā)展將在多個關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展，包括硬件設(shè)備、神經(jīng)科學(xué)理解、應(yīng)用場景、解碼算法和腦機(jī)融合技術(shù)等。

未來的侵入式BCI系統(tǒng)將朝著更小、更智能、更安全的方向發(fā)展。微型化和無線化的電極將減少對用戶身體的侵入和損傷，同時提高植入物的舒適度和耐用性。此外，新材料的開發(fā)可能會提高電極與神經(jīng)組織的接口性能，減少炎癥反應(yīng)，延長設(shè)備的使用壽命。柔性的高密度電極陣列也將提高信號采集的精度和分辨率。

未來對大腦如何編碼和處理信息的理解將不斷深入，特別是對例如記憶和意識等復(fù)雜認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制的洞察。這將幫助科學(xué)家設(shè)計更加精準(zhǔn)的BCI系統(tǒng)，能夠更有效地捕捉和解釋大腦的信號。

侵入式BCI技術(shù)是一種革命性的科技，它將大腦的神經(jīng)活動與外部設(shè)備直接連接，從而提供了恢復(fù)和增強(qiáng)人類功能的潛在可能。

此外，對大腦可塑性的更好理解將促進(jìn)BCI訓(xùn)練的效率，幫助用戶更快地適應(yīng)系統(tǒng)。

解碼算法的發(fā)展將側(cè)重于提高速度、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。利用深度學(xué)習(xí)和其他先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，算法將更好地從復(fù)雜的神經(jīng)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和預(yù)測用戶意圖。自適應(yīng)算法將能夠?qū)崟r調(diào)整，以應(yīng)對大腦活動隨時間的自然變化，提高BCI系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。

腦機(jī)融合技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，以提高人類與機(jī)器接口的整合度。這包括改善用戶的感覺反饋，讓BCI設(shè)備的操作更加直觀和自然。例如，為假肢或外骨骼提供觸覺反饋，可以顯著提升用戶的操作精度和舒適度。此外，實時的反饋機(jī)制將幫助系統(tǒng)更快地調(diào)整和優(yōu)化，使得BCI設(shè)備更加智能、響應(yīng)更快。

總之，侵入式腦機(jī)接口的未來發(fā)展前景廣闊，不僅將極大地改善神經(jīng)障礙患者的生活質(zhì)量，還可能開辟人類認(rèn)知和機(jī)器互動的新方式。隨著科技的進(jìn)步和對大腦復(fù)雜性的進(jìn)一步理解，我們可以期待一個更加互聯(lián)的未來，人腦與機(jī)器的界限將日益模糊。