鋼鐵與肉體，虛擬與現(xiàn)實，鮮活的思想和冰冷的機器，諸如此類的人機共生畫面與賽博朋克情節(jié)，早已在科幻 “教父” 詹姆斯?卡梅隆的系列大片中得到了淋漓盡致地展示。

幸運的是，這些刷新人類認知的 “黑科技” 并沒有止步于大熒幕，而是真的被科學家們一步步變成了現(xiàn)實。比如，2009 年上映的《阿凡達》主打的腦機接口技術(shù)，就于 2020 年 8 月被 “硅谷鋼鐵俠” 馬斯克搬上了新聞發(fā)布會，當眾宣布他的公司（Neuralink）成功在豬腦中植入了腦機接口芯片。此消息一出，立刻在全球引發(fā)了廣泛的關(guān)注與熱議。

當所有人都慨嘆馬斯克在腦機接口領(lǐng)域已經(jīng)處于絕對領(lǐng)軍地位時，一個華人卻站出來說，“我們已完成超過 15000 個小時的人體植入和實驗，推進速度遠超馬斯克?！?/p>

這個人就是楊知，本科就讀于浙江大學，后又前往加州大學圣克魯斯分校攻讀電氣工程學碩士與博士學位，師從劉文泰（Wentai Liu）教授?，F(xiàn)任美國明尼蘇達大學雙城分校生物醫(yī)學工程系副教授。

與馬斯克 Neuralink 所采用的在大腦中植入微電極陣列并進行皮層解碼不同的是，楊知團隊研發(fā)的新一代生物電神經(jīng)接口技術(shù)平臺，是通過外周神經(jīng)通路在人的思想與機器之間建立新的信息管道，從而讓截肢者能真正靈巧而直觀地控制假肢。試驗結(jié)果表明，這一技術(shù)能夠更加準確地理解人體神經(jīng)系統(tǒng)中的信號，因而有可能成為未來人機共生的基礎(chǔ)。

“我認為，這一研究成果是腦科學技術(shù)領(lǐng)域的一個里程碑式突破，特別是讓一個失去手的人與假肢真正融合為一體，做到‘所想即所得’。”楊知十分自信地表示。

該研究成果于 2020 年 10 月 22 日發(fā)表在《神經(jīng)工程雜志》（Journal of Neural Engineering），標題為《面向截肢者的生物電神經(jīng)接口，可實現(xiàn)直觀的假肢控制》（A bioelectric neural interface towards intuitive prosthetic control for amputees）。

共同第一作者為明尼蘇達大學生物醫(yī)學工程系的 Anh Tuan Nguyen 和 Jian Xu。通信作者為楊知和 Fasikl 公司的聯(lián)合創(chuàng)始人 Edward W. Keefer。

如何做到思想靈活控制假肢？

據(jù)介紹，該技術(shù)平臺包括三個組成部分：植入式束內(nèi)微電極，神經(jīng)芯片組，和人工智能（AI）解碼器。具體來說，就是研究人員首先根據(jù)截肢殘疾人的情況確定電極數(shù)量，目標神經(jīng)，和手術(shù)方案。比如最近的一個病例，該團隊使用顯微外科束狀靶向法技術(shù)（FAST）將縱向束狀內(nèi)電極（LIFE Electrodes）植入截肢者的正中神經(jīng)和尺神經(jīng)中，形成與單個神經(jīng)束的接口。

通過超低噪聲的神經(jīng)芯片組來記錄極微弱的神經(jīng)電圖。然后由人工智能模型通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）來解碼神經(jīng)電圖，從而掌握受試者的想法。該平臺理論上可以將人的的思想和外界機器連接起來，比如讓殘疾人控制一個假肢，又或是一臺電腦。

其硬件系統(tǒng)包括完全集成的 Neuronix 小型前端記錄器。它由兩個子單元組成：頭部件和輔助部件，通過柔性線路連接；其植入的微電極陣列中，每個陣列由四個袖帶觸點、一個束內(nèi)柄和十個間隔為 0.5mm 的縱向束內(nèi)電極觸點組成。該設(shè)計旨在記錄來自單軸突和神經(jīng)元群體的神經(jīng)電圖。

圖 | 實驗范式和硬件組件（來源：Journal of Neural Engineering）

在一個實驗中，德州大學西南醫(yī)學院的神經(jīng)外科醫(yī)生 Jonathan Cheng 為一位經(jīng)橈骨截肢患者植入了四個縱向束狀內(nèi)電極陣列，其中兩個位于正中神經(jīng)，另外兩個位于尺神經(jīng)。這樣的設(shè)計和手術(shù)方案是為了能更好的，有區(qū)別性的采集和調(diào)控神經(jīng)電圖中的運動控制信號和本體感受信號。

為驗證人腦對假肢的控制效果，該團隊采用鏡像雙邊訓練法，即要求患者用能動的手執(zhí)行各種手勢，同時讓患者腦中想象讓受傷的手也執(zhí)行相同的動作。受傷的手的神經(jīng)電圖是從微電極上獲取，而健全的手的運動會被數(shù)據(jù)手套捕獲。

基于深度學習的 AI 模型則負責處理這些數(shù)據(jù)，包括預處理程序和神經(jīng)電圖解碼。在這項工作中，解碼有離線和在線兩種模式，分別用于測量系統(tǒng)帶寬和評估實際神經(jīng)解碼結(jié)果。

研究發(fā)現(xiàn)，該平臺能從神經(jīng)系統(tǒng)中獲取大量的信息，且?guī)挸跸胂?，以至于能讓殘疾人用自由意志來控制假肢。并且，該平臺還支持雙向交流，除了可以讀取人腦的信號以外，還可以通過精密的微電刺激向神經(jīng)系統(tǒng)寫入信號，從而讓殘疾人對機械手產(chǎn)生接近自然的感覺。目前殘疾人能夠執(zhí)行高達 15 自由度（DOF）的動作，包括五個手指的彎曲 / 伸展和外展 / 內(nèi)收運動，實現(xiàn)靈巧地控制機械手。

這種腦機接口到底強在哪里？

楊知表示，目前市場上的絕大部分腦機接口都是無創(chuàng)的，在皮膚以外或者貼著皮膚。但就像隔著墻壁拍照一樣，哪怕用紅外照相機也很難拍清楚，通過無創(chuàng)的方法很難拿到高質(zhì)量的腦信號。

這些無創(chuàng)的腦機接口分兩類。一類是基于腦信號，提前設(shè)定幾個選項，再由腦信號來激活其中的某個選項。所以目前基于腦信號的假肢只能執(zhí)行有限的動作，達到 3-4 個自由度。

另一類在嚴格意義上并不是基于腦信號。例如 Facebook 收購的 CTRL-labs 其實是基于體表肌電信號（EMG）。還有其他也聲稱是腦機接口的產(chǎn)品其實是基于眼球、舌頭及身體各部位的移動。

楊知認為，不管是哪一類，只要是基于無創(chuàng)的，獲取的信號質(zhì)量就會受到限制，性能也就必然受到影響，因此都無法做到像他們的技術(shù)一樣，能讓殘疾人用自由意志來控制假肢。

當然，還有一大類植入式的腦機接口，比較知名的就是馬斯克去年宣布的 Neuralink。這需要在人腦中植入電極和芯片，做一個相當有風險的開顱手術(shù)。

“但馬斯克是鋼鐵俠，他不 Care 這些所謂的風險和可能的感染。我自己也在做這方面的研究，所以我很清楚他們的技術(shù)目前還有很多無法解決的問題和挑戰(zhàn)。也是因為這一點，他們現(xiàn)在只推進到動物實驗階段，離長期的人體試驗和拿到有效的實驗數(shù)據(jù)還有一段路?！?楊知說道。

相比而言，楊知團隊所推出的平臺能與神經(jīng)系統(tǒng)做對接，而且其有效性和安全性已被人體試驗驗證。楊知強調(diào)稱，“完成人體試驗并獲取大量有說服力的數(shù)據(jù)，是我們技術(shù)最大的優(yōu)勢之一。”

其次，他們的植入方式風險小很多。他們采用的方式是向手臂植入電極，屬于微創(chuàng)手術(shù)，所以病人當天或者第二天就可以出院。

未來或?qū)崿F(xiàn) “用意念隔空打游戲”

楊知告訴 DeepTech，早在 2004 年，他就開始做神經(jīng)芯片方面的研究，并在當時參與過人造視網(wǎng)膜的項目，即在盲人眼球里植入芯片電極，讓他們恢復部分視力。這一經(jīng)歷讓他對植入式系統(tǒng)有了大概的了解。

畢業(yè)后，他從 0 開始組建自己的團隊與神經(jīng)電子實驗室。最初 5 年在做腦機界面和植入式神經(jīng)電子學研究，后又耗時 5 年走通各種臨床道路。在此期間，楊知于 2019 年 7 月 8 日在美國得克薩斯州成立了初創(chuàng)公司 Fasikl Inc.，致力于開發(fā)神經(jīng) AI 技術(shù)，推動先進的腦機通信技術(shù)的商業(yè)化落地。

“從開始到現(xiàn)在，我們耗費了大概 10 余年時間，才從科研走到應(yīng)用以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)?！?楊知感慨道。

回顧這一路求學和科研之路，他坦言，自己非常幸運能遇到一位知識廣博且要求近乎苛刻的導師。一直以來，其導師秉持著 “不應(yīng)該以文章為導向做研究，而且一定要選擇自己真正感興趣的有意義的課題” 的信條，這讓他真正學會了如何做科研，并開始重新審視個人價值觀。

受到恩師的影響，楊知開始慢慢從青年時代看重基礎(chǔ)性研究，轉(zhuǎn)到后來的 “更看重研究的影響力”， 最關(guān)心的問題也變成了這項研究究竟能否為社會帶來好處，否則就沒有現(xiàn)實意義。

因此，他們的團隊十分注重病患對其設(shè)計的假肢的使用感受。一位常年佩戴商業(yè)假肢的患者曾對他說：“有了你們的技術(shù)，我可以回歸自然的手部動作，這太棒了?！?這對團隊來說就是前行道路上最大的鼓勵。

視頻| 受試者與團隊交流使用新一代腦機接口的感受

為了讓每一個研究進展都有的放矢，真正貼合病患們的實際需求，他們曾詢問大家，“你覺得我們研發(fā)的腦機接口技術(shù)未來最大的應(yīng)用前景是什么？”

其中一位病患的回答給他們留下了深刻印象：

“我覺得會是電腦游戲，這種接口也許不止能讓殘疾人，還能讓健全的人實現(xiàn)‘用意念打游戲’，完全不需要動手就能隔空玩轉(zhuǎn)《孤島驚魂》”。

“真的會有健全的人愿意為了打游戲而去做一個微創(chuàng)手術(shù)，往身體里植入電極嗎？”

“當然，你不知道用意念就能控制游戲中的角色，這對玩家來說有多酷！如果你們能夠把這個技術(shù)做得更好，結(jié)果如何，who knows？”

病患的話讓人驚詫，同時也讓楊知得以從全新的視角審視這一研究的意義與應(yīng)用前景。

因此，未來他將分兩步繼續(xù)推進這項研究工作，第一是繼續(xù)做研究，把現(xiàn)有框架進一步開發(fā)成在線范例，做到實時解碼神經(jīng)數(shù)據(jù)，更加靈活地控制假肢。并努力優(yōu)化平臺的各部分組件，使其無縫地協(xié)同工作，讓處理延遲最小化。第二則是大力推動產(chǎn)業(yè)化與實際應(yīng)用，并進行大規(guī)模的臨床實驗，讓這項技術(shù)得到充分利用，最大程度普惠大眾。

原文標題：浙大畢業(yè)生完成腦機接口15000小時人體植入實驗，稱推進速度遠超馬斯克Neuralink｜專訪

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責任編輯：haq