腦機介面已實現，大腦入侵成現實
腦機介面已實現
文/Serina
大腦入侵成現實
大腦是人體中樞神經系統的最高級部分，也是腦的主要部分。成人的大腦內有140億個神經細胞，它們通過複雜的生理結構交聯在一起，控制著人類高級神經活動，包括人類的思考及身體各部位的運動。
腦機介面，顧名思義，是由人類大腦和計算機等外圍設備等連接而成的智能裝置。在日本漫畫家士郎正宗的作品《攻殼機動隊》中，漫畫女主草雉素子的腦後被植入可以與電腦連接的可插拔式介面即作者對於未來生活中腦機介面作用方式的一種設想。在漫畫中，大腦與電腦連接並融合後將實現數據對接，並可直接控制電子設備，使人類擁有更多技能。但在現實中，實現人腦數據與電子數據的對接與相互轉換，卻遠非如此簡單。在21世紀的今天，腦機介面是一項融合了解剖學、腦科學、神經生物學、計算機科學、自動控制及心理學等的前沿交叉學科。
腦電波產生的原理
將大腦與電腦相連，其核心原理就是以外圍電子設備識別大腦發出的命令，將其轉化成電腦可處理的信號。在過去的幾十年間，神經生物學家和腦科學家一直致力於破解大腦進行思考及肢體運動的工作原理。他們發現，大腦主要通過神經元間電位傳導形成思維及對運動的指令。
何為電位傳導？與生物體內大多數細胞一樣，神經元周圍Na+離子含量非常豐富，而細胞內部的Na+則相對較少，這樣在細胞膜內外形成了一個「外高內低」的離子濃度差。在神經元細胞膜上存在大量Na+通道，當這些Na+通道開放時，在細胞膜上形成很多「孔洞」，使導致細胞外的Na+順濃度梯度流向胞內。由於Na+帶正電荷，因此Na+的流動就代表電子的流動。因此，這個生理學過程被稱為生物電現象。而每一次Na+內流後導致的電子流動被稱為動作電位。成熟的神經元有很多樹叉般的分支，在任何一個部位發生的動作電位會迅速傳遞至整個細胞和相鄰神經細胞，形成電脈衝。數個神經元的電脈衝信號相互傳遞、疊加後即可形成我們熟知的腦電波。
A.單個神經元某部位電壓門控Na+通道的開放會導致該區域動作電位發生變化，繼而觸發相鄰區域的電壓門控Na+通道的開放，實現細胞內動作電位的傳遞。
B.當動作電位傳至神經元樹突末梢，前一個細胞會分泌一類神經遞質物質，後一個細胞可以通過受體蛋白感知這些化學分子，引起細胞內動作電位發生改變，實現不同細胞間的電位傳遞。
C.當大腦內特定區域的眾多神經元電位發生改變，互相疊加綜合後即形成腦電波。
雖然神經元的激活和傳遞信號的方式是單一的，但不同的神經元間進行協調產生的大腦功能卻是複雜的。在多數時間，大腦需要同時進行高級思考、控制運動、發生感覺等多項腦功能。在長期的演化中，人類的大腦進化出不同的腦區，每個腦區內神經元電位的改變代表相應的功能被激活。如位於額葉的高級心理機能區和人的情緒、情感與機能相關，切除前額葉的猴子無法形成自我意識。由於高級心理功能是一個較為抽象的能力，神經元之間是如何將信號轉化成自我意識的具體機制還不得而知。但與此相對的，視覺、運動功能區等一些比較直觀、簡單的功能，已得到廣泛而深入的研究。因此，在腦機介面的發展中，利用外圍電子設備解碼大腦的視覺、聽覺及運動功能的研究也發展得更為迅速。
腦功能區及解剖學定點陣圖
腦機介面技術的研究
事實上，「腦機介面」這一術語即是1973年由美國科學家維達爾在研究人視覺時提出的。他以大腦視覺區受到刺激後其神經元產生的誘發電位為控制信號，並通過計算機編程將電位信號轉換成電腦屏幕上的游標位置，使操作者通過視覺控制游標成功穿越二維迷宮。這被認為是腦機介面的雛形。
1989年，美國費城MCP哈內曼大學的約翰K．切賓教授率領團隊率先開展了關於用計算機解析運動功能區的研究。他們在大鼠的大腦內通過手術插入電極，同時檢測46個神經元的電位變化。他們首先訓練大鼠通過壓動一個槓桿取到水喝，當大鼠可以熟練完成動作後槓桿被取走，大鼠必須在大腦中「想像」壓動槓桿，激活相關腦區後將電信號傳遞給電腦，電腦會自動向籠中注水。這即是著名的大鼠壓桿實驗，標誌著腦機介面研究體系的基本確立。
2008年，美國匹茲堡大學施瓦茨教授帶領的團隊已經可以成功記錄並分析100個以上神經元的活動。當年的《自然》雜誌報道了他們這一傑出的研究成果。他們以猴子為研究對象，首先訓練猴子用操縱桿控制機械手為自己取食，並利用植入的電極記錄下猴子腦內的神經元活動。隨後將猴子的手綁起來，使猴子在腦內「想像」操作機械手並通過向電腦發射神經元信號控制機械手抓取食物。經過訓練後，猴子甚至可以繞過障礙物控制機械手去取食，當實驗室拖動食物時，猴子也能調整機械手去做相應運動。
腦機介面技術的應用
經過不斷的發展，至今為止，腦機介面技術已進入臨床應用階段。根據腦電波檢測的方式劃分，腦機介面技術可以分為非植入式及植入式兩大類。非侵入式通過在頭部佩戴電極帽的方式對腦電波進行信號採集。在2016年12月央視播出的《挑戰不可能》綜藝節目中，浙江大學黃麗鵬研究生利用這種設備控制大鼠的運動方向，並先後穿越了障礙物、小橋、隧道及沙漠成功到達目的地並完成挑戰。實驗者在大鼠腦內事先安插了電極，與大鼠攜帶背包內的晶元相連。當實驗者的大腦發出指令後，晶元內儲存的演算法可將腦電波解碼，使電極產生刺激信號，從而控制大鼠的運動行為。
非侵入式腦機介面技術具有無損、方便攜帶、成本較低等優點。但由於電極帽與腦神經相隔甚遠，電極帽採集的實為頭皮腦電信號，具有信號採集緩慢、精細度不高、信噪比低、信息量少、雜訊干擾等不可避免的缺點，限制了非植入式腦機介面在臨床方面的應用。但其在遊戲、虛擬現實等方向具有廣闊的應用前景。如奧地利的格拉茨大學開發的一台基於非植入式腦機介面的魔獸世界遊戲中，體驗者可以通過想像左右手控制遊戲人物左右轉向，通過想像雙腿運動控制遊戲人物前進。
非侵入式腦機介面的應用。
A.央視節目《挑戰不可能中》實驗者通過「意念」控制大鼠的運動行為。其中，實驗者頭部佩戴的電極帽負責採集信號，大鼠背包內的晶元負責信號的轉化，植入大鼠腦內的電極負責發出信號刺激，控制大鼠運動。
B.格拉茨大學腦機介面實驗室研究人員開發的基於非侵入式腦機介面的魔獸世界遊戲。
機器人會聰明到什麼程度？
與此相對，侵入式腦機介面是一項基於在腦內通過開顱手術在大腦皮層中植入電極的腦機介面技術。與非侵入式腦機介面技術相比，具有採集的信號解析度高、運動信息量大等顯著優勢。實驗者利用侵入式腦機介面可實現更複雜、多維的自由運動。在2017年《柳葉刀》發表的一項相關治療成果介紹了這種侵入式腦機介面技術的最新應用實例。癱瘓患者科奇瓦爾具有健康的大腦，但一場不幸的車禍使他失去了對四肢的控制能力。在治療期間，美國俄亥俄州克里夫蘭凱斯西儲大學生物醫學工程師博盧?阿吉博耶通過手術分別在科奇瓦爾的腦部運動皮層植入了電極感測器，並在手臂植入了36個肌肉刺激電極，包括幫助恢復手指、拇指、手肘和肩膀動作的4個電極。這些電極都與電腦相連。當科奇瓦爾觀察屏幕中的假象手臂並「想像」進行運動時，他的大腦發出運動的腦電信號會被植入運動皮層的感應晶元捕捉到，並經傳輸線遞呈至計算機。計算機內對電信號進行分析與轉換，並向位於手臂的肌肉刺激電極發出電腦指令，指揮手臂做出相應運動。經過18周訓練後，科奇瓦爾已經可以成功實現利用外圍設備進行伸手和抓取，並完成飲食等較為複雜的行為。可以說，腦機介面技術為癱瘓人群回復日常活動的可能性帶來了切實可行的替代方案。隨著技術的進一步發展，相信這個技術將實現更精準的控制，幫助更多的癱瘓人群重獲新生。
侵入式腦機介面的應用。
A.患者科奇瓦爾攜帶的腦機設備示意圖；B.植入腦電設備後患者須經過訓練，才能相對自如的激活腦部相關區域；C和D.經過訓練後的患者可以進行用勺子吃飯、抓取水杯喝水等較為複雜的運動。
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