植入式脑机接口技术——现实中的“神经蕾丝”计划

admin · 发表于 2020-10-14 18:45:23

埃隆<attachment webkitattachmentpath="/Users/chris/Downloads/v2-dfc8d021d558eb692f74b8f69d0e01ef_r.jpg"></attachment>·马斯克（Elon Musk），这位SpaceX，特斯拉汽车，Solarcity和PayPal的创办人，绰号“钢铁侠”的传奇人物在2016年又注册了新公司Neurallink。马斯卡称该公司将致力于“神经蕾丝”（Neural Lace）的研究开发。 “神经蕾丝”是什么？？是家里空调罩，太阳伞上绣着的花边吗？？<img src="image/20201014/547dc414493d06bf8525cff1bfc80948_1.jpg" />其实“神经蕾丝”这个概念源于科幻小说家莱恩?班克斯（Iain Banks）的文学小说系列。班克斯是马斯克最喜欢的科幻作家之一。在小说里，人们的大脑中通过“神经蕾丝”技术植入网状物，从硬件上将人脑和计算机连接起来，让它们直接通信。这样人的大脑活动就类似于信息一样可以上传和下载。<img src="image/20201014/bb0d1d1b0e2f07a20d2213df22c1b1c2_2.jpg" />这位创业天才说：“我们已经是半机器人了，手机、电脑就是你的扩展，手指的动作或者语音指令就是交互接口，这种交互太慢了。如果你的头颅中有神经蕾丝，就可以从脑中直接将数据无线传输到设备上，或者传到有着无尽计算资源的云端。”看来，现实中的信息交流和处理速度已经远远不能满足这个疯狂的“钢铁侠”马斯克。延续着他一贯的风格，马斯克创办了Neurallink神经科学公司，研究重点是创建可植入人脑的交互设备，希望在未来，人脑和计算机可以实现直接的高速交互。 这样听起来是不是有点像《阿凡达》，《黑客帝国》，《超脑48小时》，《环太平洋》剧本的感觉？而现实中，这个概念即为植入式“脑机接口”技术（Brain Machine Interface，Brain Computer Interface）。  “脑机接口”技术的初衷是为了构建脑和计算机之间的通路，帮助战争导致伤残的美军重获运动功能。类似于“神经蕾丝”技术概念，“脑机接口”通过植入电极采集神经信号，读取人脑意图，转化为外部设备控制指令，让人脑可以实现直接控制。虽然该技术在过去的二十年来有了突飞猛进的发展，但是真正用于人的少之又少。【植入式“脑机接口”技术进展与现状】 和马斯克所描绘的蕾丝不同，目前用于植入并读取大脑皮层信号的电极没有蕾丝那么诱惑，甚至还有点丑。 世界上第一位将电极植入到人大脑中是美国神经科学家菲利普·肯尼迪（Philip R.Kennedy）。他也是一个超级疯狂的科学家，后面还会再次提到。1998年，在获得美国食品及药物管理局（FDA）的临床批准后，肯尼迪将一个特制的电极植入全瘫的病人中。通过数月的训练，病人可以通过集中注意力的想象来控制鼠标运动。<img src="image/20201014/5d7e4901613f6133ab4008474b47ed7c_3.jpg" />（菲利普·肯尼迪的电极草图）这是一个特制的电极，带有神经生长和低阻电线的神经信号记录两种功能。该电极具有一个1.5毫米的中空玻璃尖端和两根0.1-0.4毫米直径的金属电线。在电极植入之前，神经生长因子涂在电极尖端。就如你拿着肉包，狗就会跟过来一样，由于有了神经生长因子的加入，相邻的神经元突触就被诱导过来，生长在玻璃电极尖端成为髓鞘。神经元的生长和髓鞘的形成大约需要3个月，之后可以产生稳定的神经信号。通过开颅手术，电极尖端将侵入大脑皮层2毫米，电极的尾端连接位于头颅上头的放大器和无线电广播发射机和电脑进行通信。一段时间的信号观察后，肯尼迪和他的团队发现，通过部分神经元的精细调节，志愿者的运动控制能力得到显著提高。[<a data-editable="true" data-title="1">1</a>,<a data-editable="true" data-title="2">2</a>]在最近十年里，通过临床人脑植入电极恢复运动功能的案例也在逐渐增多，但主要利用的是美国的Cyberkinetics研发生产的犹他阵列电极（Utah Array）。相较于之前肯尼迪的电极，这种电极具有高密度，高通量，尺寸小的特点，可以同时采集数十个甚至上百个神经元的发放。 一个犹他电极尺寸为4mm*4mm，这个大小还没有大部分人的指甲盖大。它具有硅基底，基底上排列有10*10共100根针状电极，每个电极长1.0-1.5mm，间距为400μm。电极的尖端为铂或氧化铱导电材料。在开颅后，医生用气锤，在一瞬间将电极直接打入到大脑皮层中。在病人头颅恢复后，电极就可以采集并读取比较精细的运动神经元信号。在2004年，Cyberkinetics公司收到美国FDA认证并开展将电极芯片植入到人脑中的实验研究，前后在美国罗德岛，麻省和伊利诺斯州建立医院用于临床试点研究。在前期研究中，Cyberkinetics还资助了美国Brain Gate计划并成功招募到4名瘫痪的志愿者植入该犹他阵列电极。<img src="image/20201014/5cd02b373892487a1b4f8c3530d78b3d_4.png" />（犹他电极及实验现场图）其中的一名25岁男性，在该实验实施前他已经瘫痪了三年（悲剧地被刀割断了颈椎C3-C4节）。2004年6月该男子被植入电极芯片并开始了从2004年的7月14日到2005年的4月12日长达9个月的神经信号记录。犹他电极将记录到的神经元细胞外电信号经由导线同时传输到固定在头骨上的钛合金基座（图中病人头上的灰色盒子）。基座再通过连接器将信号传输到放大器和电脑，用于后续解码分析。图中志愿者坐在一个轮椅上，前面有一个显示器，显示器上会随机出现一个目标点，他用意念想象光标朝目标点前进。计算机实时分析病人在用意念控制时的运动相关神经元的发放模式，通过神经发放重构病人意念中的运动轨迹，从而控制光标在屏幕上的移动。Cyberkinetics公司表示，这名男子利用该电极可以用他的脑电来控制电脑、电视和发电子邮件，甚至玩电脑游戏“Pong”，准确率达到了70%。[<a data-editable="true" data-title="3">3</a>]同时Brain Gate计划中还有另一个由于中风导致瘫痪15年的女性病人Cathy。 Cathy在2005年10月30日也植入了同样的电极。这个病人的植入时间长达1000多天。通过翻译Cathy的脑电信号，确定她想要做的三维空间运动方向，从而实现意念控制一个机械手运动。瘫痪多年的Cathy通过脑机接口技术成功将桌上一杯咖啡握住并移动到嘴边，最后放回到桌上。[<a data-editable="true" data-title="4">4</a>]<img src="image/20201014/063bd0bc08c817cbbecfc92e28cad1f4_5.png" />（Cathy通过机械手成功喝到咖啡）2012年12月，匹兹堡的Andy Schwartz团队让一个52岁瘫痪志愿者Jan实现上肢的三维平移，三维旋转以及一个抓握手势运动共七维空间运动，并且实时控制外接机械手。两年后，在相同的病人身上又实现了十维的运动控制，即一种抓握手势被扩展到了四种抓握手势。[<a data-editable="true" data-title="5">5</a>]<img src="image/20201014/163b77931f1282730f0928f56720ec42_6.jpg" />（Jan 成功吃到巧克力） 在去年，即2016年10月，一名分别在运动皮层和感觉皮层植入电极的志愿者Nathan Copeland成功利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马“握手”。这个“握手”的特别之处就在于，它不仅实现了机械手的控制，同时还可以让Copeland“感觉”到被握住！原来，每个机械手上均匀传感器，每个传感器连接不同的电极。当机械手指受到压力时，对应的电极就刺激感觉皮层，让Copeland感受到了类似触感的感觉。此突破让当时的美国总统奥巴马惊呼：““This is what science does!（这正是科学给与我们的！）"<img src="image/20201014/c6cafc763fb6cd22e3a1a3a2e821d96c_7.jpg" />（奥巴马与 Copeland控制的机械手撞拳）【植入式“脑机接口”技术临床转化难点】   利用犹他阵列电极，虽然可以采集到皮层神经元细胞的活动，解码复杂的运动参数，但要走向临床可能还有银河级的距离吧。其中还有不计其数的障碍，比如<ol><li>植入程度高：一般的脑电图EEG信号是将电极放置在头皮上的，而这类电极需要开颅后去除硬脑膜然后打入大脑皮层，手术风险高。（这才是真的意思上的大开脑洞啊！) </li><li>生物体的排斥反应：植入的电极对大脑来讲是一种“异物”，由于人体的一种保护性防御机制，术后容易发生排斥反应。严重的排斥反应会导致植入电极的部位反复出现无菌性炎症、皮下积液、皮肤磨损，甚至破溃。 </li><li>电极本身的材料特性包括材料的柔软程度，电极的合金材料选择，电极表面的包裹涂层选择，电极植入的技术等。</li></ol>这里不得不再次提到上文中所说的第一个做人的实验并被誉为“半机器人”之父的肯尼迪。2014年的时候，由于缺乏志愿者，这个疯狂的科学家给了美国一个外科医生2万5千美元，让他帮忙给自己植入一个电极，这个电极由他自己的公司Neural Signals制作。他看着镜中剃了光头的自己感叹道：“如果我再不去做点什么，那我29年的研究和努力都要白费了，而我还不想让它中途夭折。所以我愿意冒险。” <img src="image/20201014/9fa3aeaa77c3ebb586cab6a7f67757ac_8.jpg" />（肯尼迪本人）然而手术并没有想象中的顺利。在肯尼迪第一次从手术中醒来时，他甚至无法对医生做出反应，还一度失去了说话的能力。之后他又接受了第二次长达10个小时的手术，医生在第二次手术中植入了采集信号的装置。之后的一段时间里，他自己采集自己的脑电信号用于研究。但是仅仅几周后，他头骨不能完全愈合，迫使他取出电极。疯子埃隆?马斯克提出的“神经蕾丝”这个名字虽然来源于科幻故事，但是在现实中已经有了非常扎实的临床前沿探索基础。全球来自于神经科学，机械控制，计算机，医学，心理学，材料学等领域的很多顶级科学家们都在致力于脑机接口方向的发展与推进。纵观整个科技进展历程，那些在曾经被打上标签的科幻故事，随着时间线的推进慢慢演变最终成为现实，触手可及。而那些看似疯狂的人，也正是终其一生去打破人类极限的人。他们愿意去相信，那些无人之境，才是我们追逐时间的意义。One of the advantages of having laws is the pleasure one may take in breaking them.——Iain Banks参考文献：1. Kennedy, P. R., and Bakay, R. A. (1998) Restoration of neural output from a paralyzed patient by a direct brain connection. Neuroreport9, 1707-17112. Kennedy, P. R., Bakay, R. A., Moore, M. M., Adams, K., and Goldwaithe, J. (2000) Direct control of a computer from the human central nervous system. IEEE transactions on rehabilitation engineering : a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society8, 198-2023. Hochberg, L. R., Serruya, M. D., Friehs, G. M., Mukand, J. A., Saleh, M., Caplan, A. H., Branner, A., Chen, D., Penn, R. D., and Donoghue, J. P. (2006) Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature442, 164-1714. Simeral, J. D., Kim, S. P., Black, M. J., Donoghue, J. P., and Hochberg, L. R. (2011) Neural control of cursor trajectory and click by a human with tetraplegia 1000 days after implant of an intracortical microelectrode array. Journal of neural engineering8, 0250275. Wodlinger, B., Downey, J. E., Tyler-Kabara, E. C., Schwartz, A. B., Boninger, M. L., and Collinger, J. L. (2015) Ten-dimensional anthropomorphic arm control in a human brain-machine interface: difficulties, solutions, and limitations. Journal of neural engineering12, 016011注：作者李悦系浙江大学博士生尊重作者，原创不易，转载需授权，侵权必究！<section data-id="1903"><section label="Copyright ? 2015 fzn.cc All Rights Reserved."> </section><img src="image/20201014/ff00dc282284d59a1b9781e51163c90f_9.jpg" />脑人言｜有趣的脑科学知识<img src="image/20201014/bbde7559653c04779336f9b97bcf5f8f_10.gif" />微信ID：ibrain-talk读者交流QQ群：247771828（加群请注明：脑人言读者） 长按二维码关注我们 <section data-width="200px"><img src="image/20201014/3b34b825c9d8265e85c7a7f7a4c10e6b_11.jpg" /></section> <img src="image/20201014/b1a749d984322a0b2ddfe35c4d4d9d7e_12.gif" />点击右上角，分享让更多人获益！</section>

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