脑机接口照进现实:5位脑科学家带来的最新启示

传感器技术 2022-09-26 07:01

大脑复杂、神秘,研究大脑被认为是人类终极的探索之一。作为最为复杂的科学探索领域,大脑的研究既令人着迷,也同样令人望而生畏。


脑机接口技术会使人类退化吗?一旦脑机接口技术得到应用,人类的自由意志会被他人操纵吗?用人脑去研究人脑,如何克服我们自带的主观性?脑机接口是否能释放人类无限的潜力?


这些问题看起来不切实际、脑洞大开,实则不然。10年前科幻小说和电影里的场景,如今已通过科学技术照进现实。比如,我们已证实脑机接口技术可以重建人们的运动能力,大脑损伤的患者靠意念进行简单交流。近几年脑机接口技术频频有新的进展出现,但大众对于脑机接口的感知仍然存在距离。这个复杂的研究领域目前有哪些瓶颈?脑机接口技术研究探索到了哪一步?有哪些新的技术出现?



9月16日,由天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute, TCCI)主办的“面向大众的神经技术”国际论坛,来自中国、美国、德国、荷兰和新加坡的5位国际知名科学家分享了最前沿的神经技术,深入探讨了这些技术在临床、心理和康复等领域的应用进展。普罗大众最疑惑的问题在论坛中都会有答案,让我们深入其中,看看这些研究大脑的“最强大脑”们带来哪些脑机接口的最新进展。



溯源:

人类解码大脑的梦想照进现实


早在20世纪30年代,自德国精神病学家Hans Berger发现脑电图后,科学家们就开始思考这些脑电波代表的意义。此后,人们做了多方面的尝试。比如,在脑电图的监测下,让受试者想象字母,拼写成句,甚至直接想象句子,让计算机解码,使患者直接通过“意念”与外界交流。这些在过去的“科幻”,如今正在逐步变为现实。


目前,侵入性神经技术(如脑深部电极)在临床主要应用于帕金森病和癫痫的治疗,虽然它们精确、有效,却也面临着政策监管、价格昂贵、原理模糊等挑战。相比之下,非侵入性的技术(如多导睡眠监测系统等)更易获得批准,但精确性却欠佳。


(Gerwin Schalk教授介绍通过应用神经技术解码人类语言的研究)


在论坛中,天桥脑科学研究院应用神经技术前沿实验室(TCCI Frontier Lab)主任Gerwin Schalk教授形象地解释了脑科学家的工作:“这就像在一个体育场外面放一个话筒,你很难听到场馆内的声音。但如果我们在这个体育场外面放满了话筒,就可以收集到更多的信息,这就是我们现在在做的事情。”


虽然百年来神经技术应用已得到了飞速发展,但真正适用于病患和大众的成功案例甚少,从实验室研究到最终应用之间还有很长的路,需要多学科的融合和共建。Schalk教授团队开发的脑机接口研究系统成绩斐然。传统的电刺激检测脑功能区域可能需要好几个小时,Schalk教授团队开发的系统只需要数分钟。如今,这套系统已在世界范围内得到了广泛应用。面向未来,Schalk教授希望能在天桥脑科学研究院(TCCI)继续研究适合中国大规模人群脑机接口技术,例如针对汉语言的作用脑区作深入研究。


脑科学领域虽然复杂,但一直都在螺旋上升前行。作为顶尖的脑科学家,Schalk教授认为脑科学的探索需要务实,而不是仅仅停留在漂亮的概念与设计上。科学界必须做出持续的、系统性的努力,向着解决实际问题的方向出发。脑科学领域的深入探索能让我们以全新的维度认识大脑。



元脑:

用数字技术模拟人类大脑


如果往大脑深处行进,应用数字技术来还原大脑的动态状况,构建一个数字大脑,可以形象地认识与探索大脑。例如在疾病状态下,大脑会产生一系列变化,如果能建立一个与之相对应的数字大脑,还原疾病的动态发展演变过程,或许就能帮助我们更好地明白其机制,准确预判并开发出更精准的治疗方案。


(洪波教授介绍元脑的概念和元脑动态系统的构成)


论坛中,清华大学生物医学工程系洪波教授分享了“元脑(Meta Brain)”的新兴概念和他的团队在这个领域上所做的相关工作。“你也许很难想象无数美丽的数学公式能够解释人类大脑的运作机理。”在会中,据洪波教授介绍,元脑的构想是利用脑机接口技术建立大脑的动态数字模型,来帮助提升理解大脑的功能运作,重现生理、病理过程,最终达到应用目的。


而元脑得以快速发展的机遇则是乘上了前沿技术发展的快车,包括神经影像学、脑电生理和计算机技术等,无一不在助阵元脑研究的深入。洪波教授介绍了许多科学家在脑数字重建上做过的工作,如静态元脑、动态激发元脑,乃至于动态的癫痫大脑。这些脑数字重建的点滴工作都在为构建未来的疾病数字大脑、数字孪生大脑夯实基础。 


在脑机接口技术不断发展的过程中,其中最大的争议是来自伦理的风险。脑科学领域的伦理讨论声音有很多,支持者和反对者各自都有站得住脚的立场。作为脑科学领域的资深科学家,洪波教授提出了一种解决思路。洪波教授认为在目前,脑机接口还处于研究阶段,所有的研究实验都必须通过受试者的知情同意,所以暂时伦理学风险较小。在未来,如果脑机接口技术得到了大规模应用,人的大脑或意识能被潜伏、探测甚至远程侵入的风险增高,可能会造成严重的社会问题。或许在将来,我们可以从基因编辑的伦理学风险中借鉴一些针对脑机接口技术应用的伦理处理方法。


脑机接口+心理:

重建心灵沟通桥梁


目前全世界有20%的人经受着神经系统紊乱的影响,其中一半和心理健康相关,影响近10亿人。对此目前主要的治疗方式是药物治疗和心理治疗,但患者往往需要长时间的治疗才能产生效果。而脑机接口在心理健康的治疗中具备巨大的潜力。


例如脑机接口技术在临床闭锁综合征的应用。据荷兰乌得勒支大学医学中心Nick Ramsey教授介绍,闭锁综合征可以发生在运动神经元病、卒中、肌萎缩侧索硬化症等疾病晚期,患者意识清醒,但全身只有眼皮可以活动,难以和外界交流,十分痛苦。为了提升这类患者的生命质量,Ramsey教授的团队开展了多年研究。


(Nick Ramsey教授介绍从脑机接口技术中获益的闭锁综合征患者案例)


Ramsey教授的团队为闭锁综合征患者创建了能帮助他们独立自主与外界交流的家用脑机接口设备。此前,他们已经为一位58岁的晚期闭锁综合征患者应用了这一系统,通过解码软件算法,患者反复练习后能够实现每分钟输入约两个字母,准确率接近90%。相关病例于2016年发表在《新英格兰医学杂志》上。如今6年多过去了,这位患者依旧在使用该设备,每日使用时间可达20小时,该设备已经成为患者与外界沟通的唯一渠道。


除此之外,Ramsey教授也介绍了其他几种能帮助患者与外界直接交流的技术研究进展,比如,通过检测人类发声器官(如咽喉、下颌、舌等的运动)来解码语言;通过脑机接口直接解码患者想要表达的语句,并呈现在屏幕上。这些脑机接口的新进展为许多脑科学领域的研究者和患者打上了强心剂,为大家带来希望。在心理疾病的治疗外,脑机接口在临床中的康复治疗一直备受瞩目。



脑机接口+康复:

帮助患者重拾生活信心


将脑机接口和神经调节技术相融合,不仅能帮助我们发现脑震荡、脑功能和行为之间的重要联系,也能极大改善患者的运动功能。脑机接口技术是一种非常有效的临床康复工具。


(Soekadar教授展示运动障碍者在接受脑机接口技术应用后恢复活动的案例)


柏林大学医学中心的Soekadar教授团队研制的非侵入性脑机接口+外骨骼的搭配应用,可以通过解码大脑的运动指令并定向施加刺激,使严重脊髓损伤导致运动障碍的病人重拾一些自理技能,如抓取、吃饭、喝水等一系列日常活动。在实际的应用中,一些运动障碍病人通过这项技术能够完成部分的生活自理活动,大幅改善了患者的生活质量。虽然目前侵入式脑机接口技术仍存在感染出血、未经永久使用许可、需要手术及价格昂贵等诸多挑战,但脑机接口+外骨骼在临床上的应用价值巨大。越来越多的临床试验正在验证脑机接口在康复训练方面的前景。


(Soekadar教授谈下一代脑机接口技术突破的展望)


谈到下一代的脑机接口技术,Soekadar教授认为可以做到把工作记忆、情感调节和运动-感觉互动整合到系统中去,达到适应性的脑功能刺激,实现脑功能的稳定与提升。在康复训练研究之外,团队脑机接口的研究也在朝重建精神健康的方向进发,实现未来情感调节和运动康复的整合。


新加坡南洋理工大学计算机科学与工程学院关存太教授认为脑机接口可用于功能恢复的理论基础是神经可塑性(Neuroplasticity)。所谓的神经可塑性指的是大脑在受到损伤之后,能够持续不断地重塑神经元之间的连接。而神经系统疾病的康复即是通过有目的地刺激大脑从而达到部分功能的恢复。


(关存太教授介绍基于深度学习等算法的新型非侵入脑机接口技术研究结果)


关存太教授使用脑机接口技术对卒中患者进行有目的的运动康复训练,并且关存太教授也提出除了运动康复以外,脑机接口可以帮助卒中后病人进行精神心理方面的康复。在关存太教授团队的研究中,基于深度学习等算法的新型非侵入脑机接口技术,可以使得卒中患者的理解准确率,从传统脑机接口技术的68.6%上升到近90%。


团队通过研究脑机接口康复技术在儿童多动症、老年人认知功能下降、社交焦虑及广泛焦虑方面的探索中发现,受试者能够在完成指定任务中得到实时反馈,从而通过多次量化的反馈与训练,达到改善注意力、强化认知、缓解焦虑等成果。这些实验的成果不断鼓舞着脑科学领域的科研人员,也给患者带来了生存质量提升的福音。


在这场论坛中,我们看到了脑机接口最前沿的技术研究,最新的落地情形。脑科学家们将前沿实验室里的脑机接口技术从理论带到了临床,为许多生存质量堪忧的患者带来希望,也为普罗大众打开了眺望未来大脑的窗口。脑疾病的探索、脑科学的研究让我们正在接近脑内深处的“黑洞”世界,虽然过程艰难、路途遥远,但脑科学研究正在积蓄势能,一步一步走向未来。

来源:脑极体


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