原文作者：李驍健 編譯

腦機(jī)接口(brain-computer interface，BCI)是大腦和外部設(shè)備(通常是計(jì)算機(jī))之間的橋梁。腦機(jī)接口收集、分析并將來(lái)自大腦的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解和執(zhí)行的命令。它也可以用外部信號(hào)調(diào)節(jié)大腦活動(dòng)。腦機(jī)接口是神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和技術(shù)的結(jié)合，它可以改善嚴(yán)重疾病患者的生活。在機(jī)器人、神經(jīng)科學(xué)、科技、游戲和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域腦機(jī)接口也有著應(yīng)用。

人類(lèi)的大腦是一臺(tái)驚人而復(fù)雜的機(jī)器。人類(lèi)大腦皮層中有超過(guò)800億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元有1000個(gè)突觸，我們的大腦每秒處理大約1億比特的信息。想象一下，在大腦進(jìn)行思考時(shí)，去實(shí)時(shí)地測(cè)量、提取和解釋大腦中的所有信號(hào)。從《X戰(zhàn)警》到《黑客帝國(guó)》，對(duì)大腦的研究曾經(jīng)僅限于科幻小說(shuō)領(lǐng)域，但是今天，人類(lèi)已經(jīng)可以將大腦連接到電腦來(lái)控制機(jī)械手臂，或?qū)⒛愕南敕ǚg成文字。 在過(guò)去的25年里，癱瘓的人通過(guò)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了僅憑思想來(lái)操作計(jì)算機(jī)。他們恢復(fù)了因中風(fēng)而喪失的語(yǔ)言能力；肢體喪失功能或癱瘓的人借助腦機(jī)接口重新發(fā)揮了肢體功能，或是操作機(jī)械臂和機(jī)械手。腦機(jī)接口技術(shù)能夠診斷和治療癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至有望讓盲人重見(jiàn)光明。然而大多數(shù)腦機(jī)接口治療需要做腦外科手術(shù)，把電極放置在大腦的表層(皮層)或更深的地方，這種操作可能會(huì)引起出血或感染的風(fēng)險(xiǎn)。而且研究人員目前還不清楚植入的電極對(duì)腦組織造成的影響和潛在的損害。就目前來(lái)看，電子植入物還無(wú)法安全可靠地幫助數(shù)百萬(wàn)潛在受益者。事實(shí)上，全世界大約只有50名有嚴(yán)重行動(dòng)受限疾病(例如癱瘓)患者參與了植入實(shí)驗(yàn)。因?yàn)橹挥性谒衅渌委煻际』蚴亲鲈囼?yàn)的前提下，患者的植入手術(shù)才會(huì)被允許。對(duì)這些人來(lái)說(shuō)，改善低質(zhì)量生活的收益遠(yuǎn)大于潛在的危害。 運(yùn)用物理原理和方法可能會(huì)使腦機(jī)接口設(shè)備的使用更安全、更耐用、更廣泛，比如改進(jìn)腦機(jī)接口的植入方法和材料。我們通過(guò)光、磁場(chǎng)或超聲波與大腦相互作用來(lái)避免或盡量減少腦部手術(shù)的思路可能更為重要。無(wú)創(chuàng)、無(wú)線和便攜或可穿戴的腦機(jī)接口設(shè)備可以作為大腦的研究工具和醫(yī)療器械，并且可以日常使用。

簡(jiǎn)要的歷史

從古代到19世紀(jì)，醫(yī)生和實(shí)驗(yàn)人員為醫(yī)學(xué)治療嘗試了各種實(shí)驗(yàn)，試圖改變大腦的電生理活動(dòng)。1924年，德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·伯格利用放置在病人頭骨上的電極記錄到腦電活動(dòng)，發(fā)明了腦電圖(EEG)技術(shù)。20世紀(jì)70年代，物理和計(jì)算機(jī)學(xué)家Jacques Vidal演示了通過(guò)思想控制外部設(shè)備的方案，即佩戴了腦電圖交互設(shè)備的受試者只通過(guò)思想來(lái)移動(dòng)電腦屏幕上顯示的光標(biāo)。 腦電圖是一種有價(jià)值的用于診斷癲癇等疾病的非侵入式工具。它能幫我們確定癲癇患者的病因和類(lèi)型，也能用在癡呆、腦腫瘤和腦震蕩等疾病的研究上。由于腦電圖是對(duì)大群神經(jīng)元進(jìn)行采樣，信噪比很低，很難將這些信號(hào)與特定的腦活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。而植入式電極可以采集選定的神經(jīng)元信號(hào)?，F(xiàn)在許多研究人員和臨床醫(yī)生使用一種叫“Utah陣列”的植入式電極陣列。這是一種由100個(gè)p型硅電極(10×10結(jié)構(gòu))組成的硅電極陣列，電極間隔400 μm，放置在4×4 mm的絕緣基板上。電極長(zhǎng)度為0.5—1.5 mm，頂端是鉑或氧化銥。全世界約有30名患有癱瘓的人安裝了這種裝置。他們借助這種植入物用自己的思想控制電腦、玩電子游戲和控制機(jī)械臂。但這種侵入性技術(shù)對(duì)身體的長(zhǎng)期影響還沒(méi)完全探明。

減少侵入性

電極等人工植入物在大腦中可能引發(fā)免疫反應(yīng)，使附近的組織發(fā)炎并留下疤痕。剛性電極和大腦軟組織間的機(jī)械失配性加劇了免疫反應(yīng)，反過(guò)來(lái)也降低了電極的性能。尋找耐用的、生物相容的、適用于電極和基板的電性能的材料，成為物理學(xué)和材料學(xué)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。比較有希望的候選材料包括柔韌的導(dǎo)電聚合物以及極薄的電導(dǎo)體，如碳納米管和硅納米線等。 通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的醫(yī)療技術(shù)也可以降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，比如一種安裝在永久植入大腦血管內(nèi)支架上的電極——支架電極記錄陣列，它也可以探測(cè)到大腦信號(hào)，并將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給電腦。由于神經(jīng)電極具有高空間分辨率和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，無(wú)論采用哪種植入形式，基于電極的腦機(jī)接口都將繼續(xù)發(fā)揮著重要作用。與此同時(shí)非侵入性技術(shù)也在迅速發(fā)展中。

光子探測(cè)大腦

在電磁波譜中，近紅外光(NIR)的波長(zhǎng)在700—1400 nm之間，只要功率密度控制在每平方厘米毫瓦以下，就可以穿過(guò)頭骨并穿透大腦幾厘米深，且不會(huì)造成傷害。一種被稱為“光生物調(diào)節(jié)”的非侵入性近紅外方法已經(jīng)表明可以刺激大腦。光被認(rèn)為可以增強(qiáng)細(xì)胞功能或減少炎癥，但仍需要更多的研究來(lái)確定其機(jī)制。 第二種非侵入性方法被稱為“功能性近紅外光譜”(fNIRS)，該方法使用近紅外光測(cè)量大腦血液循環(huán)中血紅蛋白吸收光的變化。因?yàn)槊撗跹t蛋白吸收近紅外光的方式與氧合血紅蛋白吸收近紅外光的方式不同，該技術(shù)可以用來(lái)繪制大腦活動(dòng)圖譜。測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同波長(zhǎng)近紅外光在大腦特定部位的不同衰減，可以顯示出不同腦區(qū)域的活躍度。由于含氧血流的形成過(guò)程需要幾秒鐘，fNIRS信號(hào)的響應(yīng)速度如果用于控制外部設(shè)備就太慢了，但它提供了比腦電圖更高的空間分辨率和更好的信噪比，可以更準(zhǔn)確地定位大腦活動(dòng)。fNIRS頭盔甚至可以在自由移動(dòng)中監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。 一種被稱為“事件相關(guān)光信號(hào)”(EROS)的方法可以用紅外光測(cè)量大腦皮層組織光學(xué)特性的變化從而實(shí)現(xiàn)更快的測(cè)量。當(dāng)神經(jīng)元活躍時(shí)，光與神經(jīng)組織的相互作用會(huì)發(fā)生變化，光散射增加，延長(zhǎng)了光子穿過(guò)大腦的路徑，從而延遲了到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間。

有磁性的大腦

另一種追蹤大腦神經(jīng)活動(dòng)的非侵入性方法是“功能性磁共振成像”(fMRI)。常規(guī)的核磁共振成像是在強(qiáng)磁場(chǎng)中檢測(cè)體內(nèi)水和脂肪中質(zhì)子的行為，從而對(duì)身體結(jié)構(gòu)成像。fMRI檢測(cè)的是腦部血流信號(hào)，它取決于血紅蛋白的氧合水平。與fNIRS一樣，fMRI也可以標(biāo)記神經(jīng)活動(dòng)的區(qū)域，而且空間分辨率達(dá)到1 mm。信號(hào)響應(yīng)速度也是幾秒，對(duì)于大腦控制外部設(shè)備來(lái)說(shuō)還是太慢了。而且fMRI還需要大型、昂貴的超導(dǎo)磁體裝置。 非侵入性的“腦磁圖”(MEG)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，它檢測(cè)的是飛特斯拉級(jí)的神經(jīng)活動(dòng)磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)由活躍神經(jīng)元間的離子流產(chǎn)生。放置在頭皮附近的敏感超導(dǎo)量子干涉(SQUID)設(shè)備能夠測(cè)量這種磁場(chǎng)，但要防止磁干擾，這個(gè)設(shè)備需要放置在屏蔽室內(nèi)。MEG能提供1—2 mm的空間分辨率和毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，但它也需要龐大的設(shè)備和高額的運(yùn)行成本。 “光泵磁強(qiáng)計(jì)”(OPM)是一種新型的探測(cè)器，它能在室溫下測(cè)量大腦的磁場(chǎng)。OPM中有一個(gè)充滿堿金屬原子蒸氣的小腔室。用一個(gè)調(diào)諧到特定量子躍遷的激光二極管對(duì)蒸氣進(jìn)行光學(xué)泵浦而使原子磁矩對(duì)齊。這個(gè)磁化與大腦磁場(chǎng)相互作用，改變了已經(jīng)由探測(cè)器確定過(guò)的蒸氣的不透明度，從而測(cè)量到腦的磁場(chǎng)。

傾聽(tīng)大腦

超聲波技術(shù)作為一種便攜式無(wú)創(chuàng)方法已被廣泛應(yīng)用于身體結(jié)構(gòu)成像。在過(guò)去的十年里，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到“快速功能超聲”(fUS)階段，即利用腦血流的多普勒測(cè)量來(lái)識(shí)別活躍的神經(jīng)元。在fUS中，探頭產(chǎn)生超聲平面波，并通過(guò)數(shù)百個(gè)通道收集信號(hào)。隨后計(jì)算機(jī)合成聚焦波并分析數(shù)據(jù)從而快速生成大腦功能的高分辨率圖像。超聲也能用于經(jīng)顱超聲刺激(TUS)，這是一種調(diào)節(jié)神經(jīng)活性的方法，具有定位到大腦內(nèi)幾立方毫米范圍的精度。

非侵入式腦機(jī)接口的未來(lái)

非植入的物理方法具有最小的侵入性，可以使腦機(jī)接口更安全、更便宜，以及更廣泛地用于醫(yī)療。它們現(xiàn)在作為植入式的補(bǔ)充，或許有一天能取代植入式。但是非侵入式技術(shù)由于遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到植入式技術(shù)所能達(dá)到的空間分辨率，其應(yīng)用于醫(yī)療場(chǎng)景還有很長(zhǎng)的路要走。著名神經(jīng)科學(xué)家克里斯托夫·科赫(Kristof Koch)表示，未來(lái)?yè)碛幸粋€(gè)安全的腦機(jī)接口，將大腦與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，人們可以直接將信息下載到大腦中，這將是多么奇妙。 隨著消費(fèi)型神經(jīng)技術(shù)的興起，神經(jīng)倫理學(xué)家指出，如果沒(méi)有有效的監(jiān)管，可能會(huì)帶來(lái)隱私和精神控制等方面的社會(huì)問(wèn)題。非侵入式腦機(jī)接口發(fā)展的這些年里，科研人員已經(jīng)極大地推進(jìn)了大腦的研究和治療，并用以幫助嚴(yán)重殘疾人恢復(fù)自理。與此同時(shí)，科研人員也應(yīng)該意識(shí)到將非侵入式設(shè)備用在實(shí)驗(yàn)室和臨床之外可能引發(fā)的倫理困境。

審核編輯：黃飛