赵泓维作者

脑机接口技术离“治疗”还有多远?

“人机交互”、“FDA突破性设备认证”、“大脑里的Fitbit”、“获人体实验批准”、“人脑安装芯片”、“准确预测实验猪动作轨迹”……8月29日,当马斯克公布了他的脑机科学公司Neuralink旗下脑机接口技术的最新进展后,这些词瞬间刷爆了朋友圈。

作为马斯克早期布局医疗领域的重要产品之一,他于2017年接手了致力于开发“神经织网”技术公司Neuralink。在那之后,虽然Neuralink几经人员流动,但每年都有新话题流出。从去年的“类缝纫机”机器人到今年的硬币大小的脑机芯片,马斯克每一次关于脑机接口的信息公布,都将引发狂欢。

在昨日发布会上,马斯克再度将BCI与精神疾病关系在一起。他在演讲中提到,很多人这辈子可能会在不同阶段遇到各类神经性的问题,比如失忆、失明、失聪、瘫痪、抑郁、失眠、上瘾、癫痫、中风、脑外伤等。“而Neuralink的价值就在于为这些令人困扰的问题提供一个负担得起且可靠的解决方案。通过植入电子设备到脑部来解决这些问题,已经被医学证明是可行的了。”

不过,蓝图是美好的,但现实真如马斯克所想?

根据海外媒体报道,当年的马斯克开发脑机接口,是出于对人工智能的恐惧。他认为,按照目前AI的发展速度,用不了多久,人类就会被AI所统治,沦为傀儡。因此,他希望找到一种方法,让人类对抗AI。唯一的方法,就是让人类变得更强,于是他提出了一个比移民火星更“科幻”的想法——大脑强化。马斯克曾表示:“人类需要与机器相融合,成为‘半机械人’,才能避免在人工智能(AI)时代被淘汰。”

不过,实际的产品确乎是摆在了这里,那么BCI技术到底是赛博庞克爱好者的狂欢,还是神经患者的救世主?动脉网采访了多家企业、多位专家,将其观点整合于此,希望能从中立的角度描述BCI的发展未来。

算法难题:将BCI应用于实际的4个步骤

从马斯克的逻辑来看,理想中的脑机接口不仅可以帮助研究人员采集神经元信号,还能将特定的指令进行编码,通过脑机接口传达给其他部位,辅助大脑完成信号传出。

那么,要实现这一过程,至少需要完成4个过程:采集信号——信号解码——再编码——反馈。

这四个过程看似简单,实则难如登天,仅是第一个“采集信号”的过程,就卡死了大批想要从BCI中掘金的探索者。

神经学家常常用体育馆的类比来描述脑部信号的采集过程:在球场外,你可能会听到背景噪音,并从欢呼声中判断是否有球队进球了;当你坐在球场山顶位置,你能够知道哪个球队取得了这一分;但只有当你坐得足够近,且足够了解足球的合作逻辑,你才能知道,到底是怎样一套协同动作,帮助球队进了这个球。

这也是Neuralink的BCI由“缝纫机”发展成今天的“侵入式硬币”的重要原因之一——只有将电极网络靠神经元足够近,我们才可能获得足够高分辨率的信号。

从马斯克发布的小猪视频可以看出,它的植入电极确乎解决了这个问题,在演示之中,工作人员实时读取并在大屏幕上同步展示小猪B的脑电波。装在小猪A脑袋里的Neuralink正在读取与它鼻子相关的神经上的电流,每当它鼻子碰到什么,都会有一个脑电波的高峰。

在第二只跑步机上的小猪视频中,他演示了用脑电波进行运动轨迹的预测。图表显示,预测的运动轨迹和真实的运动轨迹基本吻合。

Neuralink已经能够一定程度上预测小猪的动作姿态,这意味着其采集的信号一经达到相当高的精度

不过,尽管马斯克在信号采集方面获得了重大突破,但在BCI实现的第二个阶段——信号解码阶段,我们似乎没有看到太大的突破。

“这次发布会让人失望的是神经信号解码方面没有任何进步,只是简单演示了小猪四肢运动和脑内神经放电的关系,离植入脑机接口与手机通信还有很长的路要走。”清华大学脑机接口专家洪波教授对此表示:“目前,运动信息脑机接口解码的研究已经很成熟,美国布朗大学、斯坦福大学等在猴子和人的大脑上已经多次成功演示,不过,美国FDA过去批准Cyberkinetics和BlackRock等公司开展过小规模人体临床试验,但都没有取得预期效果。”

“同时,这类研究在国内也有进行,主要是浙江大学与清华大学在从事相关研究。浙江大学采用的是马斯克在演讲中提到的美国Utah电极阵列,已经在猴子和病人大脑皮层植入该电极阵列,成功实现了对机械手的脑机接口控制。清华大学则是和301医院、宣武医院合作在癫痫病人上开展的微创植入脑机接口研究采用不同的方案,记录电极埋在颅骨中,不穿透硬膜,因而不破坏神经细胞,可以长期稳定采集颅内脑电,已经实现了脑机接口打字等。

“需要说明的是,这两个研究组都还还在临床前试验阶段,没有获得医疗器械许可。主要技术瓶颈和Neuralink团队碰到的一样,神经信号的无线传输、对神经细胞创伤的控制、植入电极的长期安全有效性等。”洪波教授向动脉网解释道。

那么,如果马斯克能在接下来的工作中完成解码问题,那么步骤三中的编码过程可能没那么困难。不过,步骤四的反馈过程将必然是另一座难以逾越的大山。

反馈环节即利用BCI获得环境反馈信息后再作用于大脑。通常而言,我们依赖视觉、听觉、触觉、听觉获取环境信息,进而实时向大脑传递。不过,就算是当前大热且已广泛应用于生活的计算机视觉技术,也大都停留在二维影响的处理之中,三维影像数据量大、难以编码等问题,都成为反馈过程中的巨大障碍。

因此,从这次发布会中,我们确实该为马斯克成功的高分辨率神经元信号采集而狂欢,精确、高分辨率的信号能够极大推动解码工作的进展。但我们也需理性,BCI算法仅是问题之一,而信号采集只是算法问题中的问题中的一部分——马斯克离成熟的BCI还有很长的路要走。

材料难题:寻找能够留存于颅内环境的可植入物

与人体的其他环境不同,美国韦斯中心的克劳德克莱门特教授将大脑比拟于海边丛林:潮湿、炎热、多盐,“这绝不是个搞技术的好地方。”

与口腔、肠道、腹腔等环境不同,人类大脑的结构更为精妙,充满着神秘,甚至承载着“灵魂”。要在这个地方放置一个传感器可不容易,既需要考虑大脑环境的排异反应,还需要考虑植入物的耐用性,避免频繁的替换进而造成莫名的颅内损伤。植入物的芯片也同样需要高工艺,一方面,它需要满足对百万级神经元信息的采集处理;另一方面,它还需要足够小,避免压迫损伤颅内的其他组织。种种原因可见,植入体的设计同样需要企业深思熟虑。

经济学人的《植入体》一文曾描述了植入体设计的两个方向,第一是重新思考目前的小型导电电极技术,第二是朝着新的非电气方向前进。

哥伦比亚大学电气与生物医学工程系的Ken Shepard教授曾在CMOS(互补金属氧化物半导体)电子技术来实现这一点。他认为:任何插入式电极都可能造成细胞损伤,于是他试图研制出一个置于皮层顶部、包裹大脑的膜之下的集成设备。2018年时,他设计的第一代CMOS芯片原型仅1cm2,包含了65000个电极,而第二代的版本将包含100万个电极。值得注意的是,他并非把传感器堆叠在芯片上,而是加入了相同数量的放大器对信号进行转换,以及一个无线链路来向头皮上的中继器发送数据。

这个芯片在当时没有解决供电问题,毕竟将电池这样的包含诸多危险化学物质的设备置于脑部实在难以保证安全。但从发布会上看,马斯克则似乎在这一方面更进一步。不过,发布会上仅表示该设备拥有无线充电功能,却没有解释这一功能如何实现。在过去的演讲中,Neuralink曾表示其植入物的电池能够持续24小时,并能像手机一样无线充电。这一点,单从视频来看,我们无法验证。

 视频中仅展示了植入物的样式与大小

回到植入物的话题,从非电气方向出发,哈佛大学的洪国松博士尝试制造一种SU-8柔性聚合物制成的多孔网,上面镶嵌着传感器与导电金属。这一网状结构模仿了神经组织弹性而柔软的形态,并允许神经元和其他类型细胞在其中生长,这意味着它可以解决大脑对于异物的免疫反应。相比传统的方案,这种解决方案模糊了生物学与电子学的界限。

此外,最近清华大学医学院和微电子学系联合团队采用新型忆阻器阵列来尝试进行脑机接口的信号处理,把功耗降低了400倍,这同样是一个解决上述难题很有前景的方向.

除了上述三个例子外,还有众多学者都在植入物领域进行了深入研究,这里不一一赘述。不过综合算法与材料两个方向来看,马斯克仍未解决BCI关键的问题。

在彭博社的分析中表示,Neuralink使用的是柔性聚合物,难以在人体内存在10年时间。而国内脑科学医疗整体解决方案提供商妞诺科技CEO戴珅懿告诉动脉网:“客观来说,马斯克的方法仍在传统技术的范畴,能够降低现有技术的成本,但离‘治疗’还存在相当长的距离。”

伦理难题:人体实验的伦理审查不能规避

虽然马斯克在发布商表示该BCI产品已经在今年7月获得了FDA给予的突破性设备认证,并将进一步投入到人体临床试验之中,但毕竟由于产品仅处于初级阶段,因而植入人体所带来的风险也相对较小,但随着技术的深入,这里面临的严重的人类伦理问题。放在赛博朋克爱好者的讨论组中,BCI终局所引发的控制与被控制、军事战争等话题,数年可能也得不到一个相对一致的结果。

实际也是如此,尤其是BCI最终需要面对的反馈环节。哈佛大学的一位学者曾表示:“如果BCI成熟,研究者能够安全地把一个人放进或抽离‘闭锁’状态——一个人能充分意识到自己所处的环境,但不能作出任何动作或行动。但这样的实验,现代审查委员会绝不能容忍。”

洪波教授同样对BCI的伦理问题提出了质疑,他认为,植入脑机接口和基因编辑的伦理问题同等重要,在技术开发的同时就应该建立相应的伦理框架,而不是亡羊补牢。

从现在的发展形式来看,为了更好地向管理者解释伦理问题,研究人员最好能够探索出BCI与大脑的融合方式,让两者能够通过协作指导人的行动,这样的协同必须可解释,或许这样的系统能够勉强应对伦理问题,但想必仍将面临棘手的审查,更别谈临床试验。

有一个引人深思的问题可以在这里抛出——我国是否有可能在BCI的技术上赶上马斯克,并处理好其中的伦理问题呢?很遗憾,两者的答案均是否定的。

先谈第二个问题,目前我国并没有制定类似于FDA的“突破性设备”特别审批程序来帮助BCI这样的产品取得审批。相比之下,我国器审中心的绿色审批通道更为强调创新设备带来的“治疗方向”上的经济效益的改变与疗效上的改变,马斯克所设计的BCI显然不在这一范畴。其次,我国在很长一段时间内都没有办法从BCI这一领域追上马斯克的技术成果,但这并不意味着国内漠视了脑科学的发展。实际上,从2015年到今天的五年时间内,在神经疾病临床上,我国已在诸多神经疾病的研究上反超美国。

不过,从宏观角度来看,BCI这样的基础科学对于人类的发展显然至关重要,正是因为大量学者在基础科学的大量投入与献身,才有了我们如今所享有的科技与生活。因此,马斯克的伟大不言而喻。

对标欧美,我国应该如何发展脑科学?

正如上文所言,国内的BCI技术虽无法同美国相比,但我们的脑科学研究水平仍处于世界前列。

同时,基于人口上的优势,我们将随着时间获得更多脑部疾病的大数据,这些数据将帮助更多患者得到治愈——BCI并非治愈脑部疾病的唯一方法。

那么,我国应该如何推动脑科学发展?方向、人才、产业三者的融合,或许是其中的解决之道。

一、方向

与马斯克的宏大蓝图不同,国内的脑研究更为关注脑疾病的诊断治疗与脑启发的人工智能。2019年前后,经过长达五年多时间的酝酿,中国在科学界形成“一体两翼”脑计划研究方向的基础共识。

“一体”即“认知脑”,关注和理解人类大脑的认知功能是怎么来的。核心是认知脑区结构和功能神经网络的实质,尝试阐明大脑如何工作。

中国脑计划的领军者和倡导者蒲慕明院士表示:“我们看到计算机,要分析它的功能就必须知道计算机的结构,对于大脑的功能我们必须要知道大脑的网络结构,这就叫做‘全脑介观神经联接图谱’,也是我们这个大计划的关键部分”。

两翼,则指向“保护脑”和“创造脑”两大主攻方向。

其中,“保护脑”主要是更好地诊断和治疗各类重大脑疾病,包括阿尔茨海默症、癫痫、帕金森、抑郁症等疾病,在神经系统疾病这条赛道上,将有机会诞生千亿独角兽。

“创造脑”主要实现类脑人工智能的研究与开发,核心战略目标是开发仿脑计算机,将由两部分组成:一是发展脑型器件和结构;二是脑型信息产生和处理系统的设计和开发。

中国脑计划的巨大价值在于其在未来五到十年的持续实施,会全力推动人工智能与脑科学的深度融合发展,其研究成果,将会极大的促进类脑人工智能技术的发展,这一领域的研究突破,将引领新一轮的科技革命。

基于这个计划,我国正全力发展阿尔茨海默、帕金森、癫痫、精神分裂、抑郁症等社会负担重大的疾病的治疗。如今,这些疾病的研究已经拥有了极大的进展。

二、教育

教育决定了科学未来的发展在方向,而脑科学这一门学科介于医学与工程学间,如何培养这类人才,是我国当下面临的一个重要问题。从现在的教育现状来看,各大高校都是独立专科培育人才,进而横跨至脑科学进行研究,这样的发展方式欠缺战略性、难以向全产业进行发展。

为了应对这样的问题,浙江大学于2018年开始实施“双脑计划”,推动脑科学与人工智能的结合,并于2020年1月浙江大学近日成立脑科学与脑医学学院,以解决最为基础的教育问题。

“脑科学是最具挑战性的前沿学科,也是近年来国际上发展最快的学科。”段树民说,在美国神经科学年度交流大会参会人员有3-4万,已经成为最大的学科。但在国内,我国普通高校提供的本科生教育的专业有400多种,还没有一个是神经科学的专业。

“目前国内脑科学研究的研究生的考生来源主要是生物学和生物技术专业毕业的本科生,他们在本科生阶段几乎没有受到神经科学相关的知识教育,很不利于科研工作的开展。”段树民说。他注意到,在这些学生的入学面试时,大多数学生都显示了从小对脑科学的兴趣,但在本科生阶段没有他们能选择的专业。

因此,将有兴趣的学生在本科阶段导入理工专业,再在硕士阶段基于临床相关教育,或是当前困境的解决方案之一。

只有解决了最为基础的人才问题,我们才能谈及更深入的脑科学课题研究,进而推动脑科学医学产业发展。浙江大学的模式无疑是一个旗帜,希望能够引导各大高校深入发展脑科学。

三、产业

无论是政策、人才,其最终目的都是要建立健全的脑科学医疗全产业,将有价值的医疗科技普惠大众。事实上,在近十年的时间内,已经有一批有志之士开始了脑科学的探索,并已成功的将其成果扩展到了神经疾病、精神疾病、康复等领域。在这种众多企业之中,动脉网以博睿康、妞诺科技、臻泰智能三家企业为例,简述我国脑科学领域的发展。

博睿康:打造通讯速率最高的无创脑机接口系统

被业内公认为头部企业的博睿康科技是国内首个将脑机接口产业化的公司,依托于清华大学神经工程实验室,博睿康研发出了目前全世界通讯速率最高的无创脑机接口系统,使中国在国际脑机接口领域占有了一席之地。

无创之外,博睿康也在研发微创脑闭环反馈刺激系统。该系统采用微创植入避免感染,满足长期使用,采集与刺激闭环,实现智能调控;以治疗癫痫病为例,即通过在癫痫发作前的特征信号预警,触发电刺激,从而达到抑制癫痫发作的成效。同时,公司还在着手研发脑机智能主动康复系统,将适用于中风等神经疾病损伤康复、ADHD干预治疗。

妞诺科技:软硬件与强科研融合的医疗脑电数据服务商

以解决临床需求、提升患者价值为目标,妞诺科技在产品线方面围绕医疗脑电数据服务进行了以AI算法为核心基础融合软硬件双向开发模式。戴珅懿向动脉网解释到:“一开始我们只做算法,但在数据的采集过程中,我们遇到了非常多的问题。第一,由于采集设备的差异而导致脑电数据收集出现质控问题;第二,很多便携式的场景非常具有应用价值,但很多厂商很难快速跟进这一需求,并对小规模的测试进行技术支持;第三,脑电数据需要经过多个算法转化,排除干扰,才能形成可分析的信号,而要抓住某个特征值的信号,还需自己去理解微小信号的处理,而这个绕不开对设备的理解。”

场景与技术都是在探索之中不断发展的,未来,妞诺科技将继续探索新的商业路径,深入与互联网医疗、医药企业、保险公司等的合作,运用AI能力协助脑电服务深入医疗各级系统落地,在适应症广度及深度拓展,不仅会涉及传统的各类脑疾病的诊疗,如:癫痫、阿尔茨海默症等相关神经疾病的鉴别诊断,也将推动医疗脑电服务在精神专科、儿神经专科、重症及急诊等多专科更广泛的普及应用,实现高新技术的全面普惠。

臻泰智能:“BCI+VR+机器人”助力患者康复

BCI在康复医疗领域是刚需,早已吸引了无数研究者和企业的目光。上世纪90年代,科学家们开始进行相关研究;2000年,基于脑电的生物反馈产品开始在医疗领域落地应用;2014年,截瘫青年朱利亚诺·平身着外骨骼机器衣为世界杯开球;如今,这一行业已经进入产品化阶段。

目前,公司的脑控智能康复解决方案主要用于神经性疾病康复,在科研预临床阶段,累计试用患者已达1000多例。研究显示,经过脑机接口系统康复治疗,患者的认知状态、运动能力、平衡力、肌张力有了明显的提升。接下来该解决方案会逐渐拓展至物理治疗、作业治疗等康复训练全场景,并通过全周期的脑电数据采集评估,为患者精准化定制康复治疗方案。

写在最后

回到最初的问题,BCI技术用于疾病“治疗”有多远?相比各位心里已经有了答案。

总的来说,Neuralink的突破固然可喜可贺,但我们也应理性看待BCI技术于医疗应用的挑战与现阶段的局限性。因此,对于我国医学领域的研究而言,坚持“医疗脑”进行突破,侧重于疾病诊疗,深积疾病数据库,或许是一条更为实际的路。

毕竟,医疗领域可能没有马斯克的浪漫。

一步接着一步,这才是医疗应该拥有的节奏与速度。

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