2022年11月12日，在“科普中国-我是科学家”第42期“未来的进展”现场，中科院深圳先进技术研究院高级工程师、深港脑科学创新研究院研究员李小健发表了“搭建一座从大脑到肢体的桥梁”的演讲
以下为李小健演讲实录:
大家好，我的研究领域是高性能脑机接口和类脑工程。今天很高兴有机会参加《科普中国——我是科学家》栏目，向大家介绍脑机接口。
现实中，每个人都很难接触到脑机接口。为了让大家有更清晰的感性认识，我们先从科幻电影说起。
电影《阿凡达》中，潘多拉基地为一名残疾美国士兵训练了一个人造人。当士兵进入睡眠舱，把自己的意识传递给人造人，人造人就可以被士兵的意识控制，这就是所谓的意识替换。
意识置换|《阿凡达》
同样，在《阿凡达》中，人造人骑着当地潘多拉的龙，两者通过“辫子”相连。人造人通过意念控制龙，这叫意识对接。就人类的技术而言，我们还不知道如何取代意识，但意识的对接似乎是合理的。不幸的是，地球上的生物缺少可以“对接”的器官。也就是说，目前这两种情况完全是科幻，离我们的生活很远。
意识|阿凡达
电影《阿丽塔:战斗天使》中，医生用机器嫁接了人体的大脑神经。这种对接方式从生理学角度来说是可行的，很多和我一样研究脑机接口的研究人员也在努力让类似的方法走进现实。
与脑神经电子设备对接|阿丽:战斗天使
那么，到底什么是脑机接口呢?实际上，脑机接口是指大脑直接与外界交流信息的一种方式。脑机接口技术可以通过计算机作为信息的中介，帮助大脑实现与外部信息的直接交流。
那为什么要做脑机接口呢?我举一个罕见病的例子，渐冻症。目前常规治疗方案无法恢复渐冻人患者的活动能力，但脑机接口有可能。
2012年，第一个人脑控制的机器人出现。通过头上的“插头”，病人可以将大脑信号传输给电脑，然后通过集中精神控制机械臂，抓起水瓶放到嘴边喝水。这是如何实现的?
2012年:第一个由人脑控制的机器人| Hochberg L R，Bacher D，Jarosiewicz B，等.四肢瘫痪者使用神经控制的机械臂伸手抓住东西[J].自然，2012，485 (7398): 372-375。
我们的大脑是由相对独立的分区组成的，如颞叶、顶叶、额叶、枕叶、小脑、脑干等。其实这些区域是分不开的，必须作为一个整体来发挥正常的大脑功能。
大脑的基本结构|图片由李小健提供
大脑要想实现复杂的功能，主要依靠很多神经元。我们的大脑由近1000亿个神经元组成，每个神经元都从事接收、处理和转换信息。这些神经元通过级联形成一个通讯网络。当这个大规模的神经元形成一个交联的网络，就可以实现对复杂信息的处理。
想要得到这些神经元传递的信息，应该怎么做?我们的想法是在大脑中放置传感器来监控这些神经元的活动。但是神经元那么多，传感器应该放在哪里呢?
在说这个之前，我们先来了解一下球场效应。当你去球场看球的时候，你会发现前排能更清楚地看到球;裁判的位置可以自由移动，他可以识别每个球员的动作和声音。后排可以看到整个球场，甚至观众席;空中的地平线更宽了。那么观众买票的时候都去哪里买呢?显然，当我们去舞会而不是去体育场时，我们想买前排的票。
大脑也是如此。在收集神经元的信号时，我们更喜欢将这个传感器放在离神经元更近的地方，因为离得越近，分辨率就会越高。
目前，BCI有三种常见的传感器放置位置。
一种叫做脑电图，意思是把传感器放在头皮上。这个位置类似于在空中鸟瞰体育场。脑电图法不会对身体造成创伤，但距离脑神经较远，信号清晰度差。
第二种称为ECoG，指的是将传感器附着在大脑皮层表面。ECoG的优点是不会刺破脑组织，信号清晰度远高于脑电图。
三是“扎进去”的情况。穿刺是科研脑机接口领域的主流方法。这种方法得到的信号要清晰很多，但是会对脑组织造成一定的穿刺损伤，所以不能大规模使用。
目前，神经信号的采集是一个“鱼与熊掌不可兼得”的问题。选择哪种方式好，需要判断谁是“熊掌”，谁是“鱼”。
传感器(神经电极)离神经元越近，分辨率越高|图片由李小健提供
最近流行的Neuralink脑机接口公司就采用了这种穿刺电极。Neuralink系统是一个非常小的系统，已经小型化了。在这个微型系统中有电极传感器和特殊的处理器芯片。Neuralink系统展示了两个系统，一个是有线系统，一个是无线系统。与有线和无线系统的植入过程相同，只是传递信息的方式不同。无线版的优点是不需要在大脑中“拉线”，可以自由移动，但这也导致了采集数据的极大压缩。无线版采用蓝牙通信，蓝牙的无线传输带宽相对较低，但对于执行简单的脑控任务来说已经足够。
Neuralink芯片显示| Neuralink
在国内，我们也有自己的宽带植入式脑机接口系统，比如我正在做的植入式脑机接口项目。在我做的这个项目中，使用的传感器是不穿透脑组织的那种，使用的是贴在大脑皮层表面的柔性电极网。
我们的另一项研究成果是脑机接口专用芯片。与Neuralink芯片不同的是，我们没有在一个芯片中放入太多的信号采集通道，而是增加了16个强大的电刺激通道。也就是说，我们的芯片不仅可以采集神经信号，还可以将这个信号同时写入大脑神经。读和写的功能可以一起完成。
李小健团队研发的脑机接口专用芯片|李小健供图
最近，我们实验室还开发了几种时空精度更高的微ECoG电极阵列，采用了最先进的纳米复合增强技术。采集到的神经信号有更详细的信息，对大脑信息的解码有很大帮助，应该更适合用于脑机接口。此外，我们还创造了光学纳米神经远程控制技术，这样一来，在未来，我们或许可以在不进行手术植入的情况下，制作出完全无线的脑机接口系统。
植入式脑机接口里程碑，患者通过虚拟键盘打字|图片来源见水印。
植入式脑机接口(BCI)已经研究了几十年。从六七十年代开始，为了帮助残疾退伍军人生活自理，美国政府开始资助BCI技术的研究，主要针对治疗瘫痪。
除了前面的例子，2016年，第一个触觉人脑控制的机器人出现了。一位患者因车祸导致下肢瘫痪，上肢无法活动。他决定接受植入式脑机接口手术。手术后，由于增加了触觉信息，该患者在控制机械手方面比前一个例子更加灵活。这位患者名叫内森，2016年他还接受了美国总统奥巴马的接见，这也是脑机接口发展的一个重要里程碑。
还有一种脑机接口方式，就是通过功能性电刺激，驱动自己“麻醉”的手臂和手完成一些脑控制的动作。所谓功能性电刺激，就是通过装置上的电极头刺激肌肉群，然后才能做出动作。
回到开头，我们谈到了渐冻人患者的例子。2017年和2018年，斯坦福大学的研究团队展示了虚拟键盘和在线电子邮件的大脑控制敲击的一些成果。这是渐冻人回归社会活动的一个希望。
2019:首款用于人脑神经解码的语音合成器| Anmanchipalli，G.K .，Chartier，J. & Chang，E.F .从口语句子的神经解码进行语音合成。自然568，493–498(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1119-1
加州大学旧金山分校发表的一项研究表明，我们可以对神经活动和声音进行分析和建模，并将句子和单词中的每个因素与喉部肌肉运动对应起来。然后，当想要说话的神经信号被收集后，就可以用语音合成器重建声音。现在合成的脑控语音和自然语音非常相似。在这个例子中，使用了ECoG电极。它在大脑皮层表面比较薄，基本不会伤害脑组织。可以覆盖比较大的大脑皮层区域，刚好适合语音解码。
我国植入式脑机接口的研究领域刚刚起步，但已经取得了一些成果。例如，浙江大学的研究团队利用商用脑机接口系统，在老年志愿者身上实现了脑控机器人。志愿者通过大脑控制的机械手抓油条，拿可乐。
2019年国内首个临床研究成果成功实现高龄(72岁)志愿者脑控机器人|浙江大学新闻办公室
除了之前介绍的运动脑机接口，最近难治性抑郁症的治疗也有了突破。就目前的研究结果来看，对于一两位难治性抑郁症患者，BCI相关治疗确实起到了很好的缓解症状的作用。但有一个问题是，精神疾病通常是多个脑区的异常，可能需要进行多个靶点的协同调控才能提高治愈率，对大多数患病人群更为适用。因此，在这方面，我们需要进一步研究调控靶点，确定最准确的靶点和疗法。
未来，植入式脑机接口会带来怎样的场景?不久前去世的著名科学家霍金先生在轮椅上度过了他的大半生。如果给他配一个波士顿动力的机器人，做一个外骨骼机械体，然后用脑控控制，基本上可以去任何他想去的地方吗?还有我们开头提到的电影《阿丽塔:战斗天使》中的情况。大脑神经和机电体融合的生活方式，或许在不久的将来也有机会实现。
另外，未来的6G通信技术可能比现在的5G带宽宽一千多倍。如此大的带宽，完全可以支持多人、多地域的大脑信息自由交流。也就是说，大家跨地球交流思想，突破空间障碍，可能是自然而然的事情。如果能够实现，那么健康的人可能也希望拥有自己的脑机接口。换句话说，脑机接口可以说是元宇宙的终极形态。
未来脑机接口会有更大的应用空间| Pixabay
从挽救生命的角度出发，去年美国美国食品药品监督管理局发布了《植入式脑机接口医疗器械指南》，中国食品药品监督管理局也在准备类似的指南。信息标准化部门也在制定脑机接口的通信标准。所有这些将帮助越来越多的BCI产品问世，并改善一些患者的生活质量。
我们可以看到，脑机接口是一门科学，而不是幻想。从目前的研究成果来看，脑机接口的未来已经到来，但还有很大的提升空间，仍然充满挑战。
谢谢大家。
