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    腦機接口照進現實:5位腦科學家帶來的最新啟示

    腦極體 2022-09-26

    大腦復雜、神秘,研究大腦被認為是人類終極的探索之一。作為最為復雜的科學探索領域,大腦的研究既令人著迷,也同樣令人望而生畏。

    腦機接口技術會使人類退化嗎?一旦腦機接口技術得到應用,人類的自由意志會被他人操縱嗎?用人腦去研究人腦,如何克服我們自帶的主觀性?腦機接口是否能釋放人類無限的潛力?

    這些問題看起來不切實際、腦洞大開,實則不然。10年前科幻小說和電影里的場景,如今已通過科學技術照進現實。比如,我們已證實腦機接口技術可以重建人們的運動能力,大腦損傷的患者靠意念進行簡單交流。近幾年腦機接口技術頻頻有新的進展出現,但大眾對于腦機接口的感知仍然存在距離。這個復雜的研究領域目前有哪些瓶頸?腦機接口技術研究探索到了哪一步?有哪些新的技術出現?

    9月16日,由天橋腦科學研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute, TCCI)主辦的“面向大眾的神經技術”國際論壇,來自中國、美國、德國、荷蘭和新加坡的5位國際知名科學家分享了最前沿的神經技術,深入探討了這些技術在臨床、心理和康復等領域的應用進展。普羅大眾最疑惑的問題在論壇中都會有答案,讓我們深入其中,看看這些研究大腦的“最強大腦”們帶來哪些腦機接口的最新進展。

    溯源:人類解碼大腦的夢想照進現實

    早在20世紀30年代,自德國精神病學家Hans Berger發現腦電圖后,科學家們就開始思考這些腦電波代表的意義。此后,人們做了多方面的嘗試。比如,在腦電圖的監測下,讓受試者想象字母,拼寫成句,甚至直接想象句子,讓計算機解碼,使患者直接通過“意念”與外界交流。這些在過去的“科幻”,如今正在逐步變為現實。

    目前,侵入性神經技術(如腦深部電極)在臨床主要應用于帕金森病和癲癇的治療,雖然它們精確、有效,卻也面臨著政策監管、價格昂貴、原理模糊等挑戰。相比之下,非侵入性的技術(如多導睡眠監測系統等)更易獲得批準,但精確性卻欠佳。

    在論壇中,天橋腦科學研究院應用神經技術前沿實驗室(TCCI Frontier Lab)主任Gerwin Schalk教授形象地解釋了腦科學家的工作:“這就像在一個體育場外面放一個話筒,你很難聽到場館內的聲音。但如果我們在這個體育場外面放滿了話筒,就可以收集到更多的信息,這就是我們現在在做的事情?!?br/>

    雖然百年來神經技術應用已得到了飛速發展,但真正適用于病患和大眾的成功案例甚少,從實驗室研究到最終應用之間還有很長的路,需要多學科的融合和共建。Schalk教授團隊開發的腦機接口研究系統成績斐然。傳統的電刺激檢測腦功能區域可能需要好幾個小時,Schalk教授團隊開發的系統只需要數分鐘。如今,這套系統已在世界范圍內得到了廣泛應用。面向未來,Schalk教授希望能在天橋腦科學研究院(TCCI)繼續研究適合中國大規模人群腦機接口技術,例如針對漢語言的作用腦區作深入研究。

    腦科學領域雖然復雜,但一直都在螺旋上升前行。作為頂尖的腦科學家,Schalk教授認為腦科學的探索需要務實,而不是僅僅停留在漂亮的概念與設計上??茖W界必須做出持續的、系統性的努力,向著解決實際問題的方向出發。腦科學領域的深入探索能讓我們以全新的維度認識大腦。

    元腦:用數字技術模擬人類大腦

    如果往大腦深處行進,應用數字技術來還原大腦的動態狀況,構建一個數字大腦,可以形象地認識與探索大腦。例如在疾病狀態下,大腦會產生一系列變化,如果能建立一個與之相對應的數字大腦,還原疾病的動態發展演變過程,或許就能幫助我們更好地明白其機制,準確預判并開發出更精準的治療方案。

    論壇中,清華大學生物醫學工程系洪波教授分享了“元腦(Meta Brain)”的新興概念和他的團隊在這個領域上所做的相關工作?!澳阋苍S很難想象無數美麗的數學公式能夠解釋人類大腦的運作機理?!痹跁?,據洪波教授介紹,元腦的構想是利用腦機接口技術建立大腦的動態數字模型,來幫助提升理解大腦的功能運作,重現生理、病理過程,最終達到應用目的。

    而元腦得以快速發展的機遇則是乘上了前沿技術發展的快車,包括神經影像學、腦電生理和計算機技術等,無一不在助陣元腦研究的深入。洪波教授介紹了許多科學家在腦數字重建上做過的工作,如靜態元腦、動態激發元腦,乃至于動態的癲癇大腦。這些腦數字重建的點滴工作都在為構建未來的疾病數字大腦、數字孿生大腦夯實基礎。

    在腦機接口技術不斷發展的過程中,其中最大的爭議是來自倫理的風險。腦科學領域的倫理討論聲音有很多,支持者和反對者各自都有站得住腳的立場。作為腦科學領域的資深科學家,洪波教授提出了一種解決思路。洪波教授認為在目前,腦機接口還處于研究階段,所有的研究實驗都必須通過受試者的知情同意,所以暫時倫理學風險較小。在未來,如果腦機接口技術得到了大規模應用,人的大腦或意識能被潛伏、探測甚至遠程侵入的風險增高,可能會造成嚴重的社會問題?;蛟S在將來,我們可以從基因編輯的倫理學風險中借鑒一些針對腦機接口技術應用的倫理處理方法。

    腦機接口+心理:重建心靈溝通橋梁

    目前全世界有20%的人經受著神經系統紊亂的影響,其中一半和心理健康相關,影響近10億人。對此目前主要的治療方式是藥物治療和心理治療,但患者往往需要長時間的治療才能產生效果。而腦機接口在心理健康的治療中具備巨大的潛力。

    例如腦機接口技術在臨床閉鎖綜合征的應用。據荷蘭烏得勒支大學醫學中心Nick Ramsey教授介紹,閉鎖綜合征可以發生在運動神經元病、卒中、肌萎縮側索硬化癥等疾病晚期,患者意識清醒,但全身只有眼皮可以活動,難以和外界交流,十分痛苦。為了提升這類患者的生命質量,Ramsey教授的團隊開展了多年研究。

    Ramsey教授的團隊為閉鎖綜合征患者創建了能幫助他們獨立自主與外界交流的家用腦機接口設備。此前,他們已經為一位58歲的晚期閉鎖綜合征患者應用了這一系統,通過解碼軟件算法,患者反復練習后能夠實現每分鐘輸入約兩個字母,準確率接近90%。相關病例于2016年發表在《新英格蘭醫學雜志》上。如今6年多過去了,這位患者依舊在使用該設備,每日使用時間可達20小時,該設備已經成為患者與外界溝通的唯一渠道。

    除此之外,Ramsey教授也介紹了其他幾種能幫助患者與外界直接交流的技術研究進展,比如,通過檢測人類發聲器官(如咽喉、下頜、舌等的運動)來解碼語言;通過腦機接口直接解碼患者想要表達的語句,并呈現在屏幕上。這些腦機接口的新進展為許多腦科學領域的研究者和患者打上了強心劑,為大家帶來希望。在心理疾病的治療外,腦機接口在臨床中的康復治療一直備受矚目。

    腦機接口+康復:幫助患者重拾生活信心

    將腦機接口和神經調節技術相融合,不僅能幫助我們發現腦震蕩、腦功能和行為之間的重要聯系,也能極大改善患者的運動功能。腦機接口技術是一種非常有效的臨床康復工具。

    (Soekadar教授展示運動障礙者在接受腦機接口技術應用后恢復活動的案例)

    柏林大學醫學中心的Soekadar教授團隊研制的非侵入性腦機接口+外骨骼的搭配應用,可以通過解碼大腦的運動指令并定向施加刺激,使嚴重脊髓損傷導致運動障礙的病人重拾一些自理技能,如抓取、吃飯、喝水等一系列日?;顒?。在實際的應用中,一些運動障礙病人通過這項技術能夠完成部分的生活自理活動,大幅改善了患者的生活質量。雖然目前侵入式腦機接口技術仍存在感染出血、未經永久使用許可、需要手術及價格昂貴等諸多挑戰,但腦機接口+外骨骼在臨床上的應用價值巨大。越來越多的臨床試驗正在驗證腦機接口在康復訓練方面的前景。

    未來第二代的腦機接口技術模樣,Soekadar教授認為可以做到把工作記憶、情感調節和運動-感覺互動整合到系統中去,達到適應性的腦功能刺激,實現腦功能的穩定與提升。在康復訓練研究之外,團隊腦機接口的研究也在朝重建精神健康的方向進發,實現未來情感調節和運動康復的整合。

    新加坡南洋理工大學計算機科學與工程學院關存太教授認為腦機接口可用于功能恢復的理論基礎是神經可塑性(Neuroplasticity)。所謂的神經可塑性指的是大腦在受到損傷之后,能夠持續不斷地重塑神經元之間的連接。而神經系統疾病的康復即是通過有目的地刺激大腦從而達到部分功能的恢復。

    關存太教授使用腦機接口技術對卒中患者進行有目的的運動康復訓練。并且關存太教授也提出除了運動康復以外,腦機接口可以幫助卒中后病人進行精神心理方面的康復。在關存太教授團隊的研究中,基于深度學習等算法的新型非侵入腦機接口技術,可以使得卒中患者的理解準確率,從傳統腦機接口技術的68.6%上升到近90%。

    團隊通過研究腦機接口康復技術在兒童多動癥、老年人認知功能下降、社交焦慮及廣泛焦慮方面的探索中發現,受試者能夠在完成指定任務中得到實時反饋,從而通過多次量化的反饋與訓練,達到改善注意力、強化認知、緩解焦慮等成果。這些實驗的成果不斷鼓舞著腦科學領域的科研人員,也給患者帶來了生存質量提升的福音。

    在這場論壇中,我們看到了腦機接口最前沿的技術研究,最新的落地情形。腦科學家們將前沿實驗室里的腦機接口技術從理論帶到了臨床,帶給了許多生存質量堪憂的患者希望,也為普羅大眾打開了眺望未來大腦的窗口。腦疾病的探索、腦科學的研究讓我們正在接近腦內深處的“黑洞”世界,雖然過程艱難、路途遙遠,但腦科學研究正在積蓄勢能,一步一步走向未來。

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      寫讓你腦洞大開且能看懂的人工智能、流媒體、海外科技
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