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从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

07-19 和讯名家
语音播报预计20分钟

从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

脑机接口技术作为一项前沿而又酷炫的技术,一直备受瞩目,近日,脑机接口技术取得了高价值进展,从大脑活动中解码完整句子,使得瘫痪失语者可以交流,让很多人看到了曙光。

该项目是Facebook 与加州大学旧金山分校联合研究,研究员通过在一位失语十六年的瘫痪患者大脑中植入电极阵列,解码从运动皮层发送到声道的大脑信号,机器学习算法自动识别出他脑中出现的单词,实时在屏幕中转换为句子,让严重瘫痪的失语患者重获交流能力,虽然只是简单的语句交流,但让患者们建立了与世界重新交互的希望。

从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

近年来,脑机接口技术新的进展也越来越多.最近刚闭幕的世界人工智能大会上,也有跟脑机接口相关的高价值进展项目,并且还获得了世界人工智大会最高奖项SuperAILeader(卓越人工智能引领奖),其团队来自中科院上海微系统所,展示的技术成果——免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口,因为其在脑机接口技术的创新与突破性进展获得殊荣。

脑机接口技术的快速发展算起来也走过了二十个年头,从患有中风的病人被植入脑机接口控制其他设备,到现在植入式脑机接口可以让猴子打游戏,让脑干受损患者意念控制喝水、交流等,在技术革新的路上,脑机接口技术的安全性似乎变得越来越有保障了。

此前的脑机接口医学研究方案中,我们可以发现,试验对象头上需要顶着一个盒子,还得连着线,极大地限制了受试者的活动以及安全。而脑机接口近两年的革新几乎都是朝着简化设备,减少侵入式的创口以及无线传输数据信号的方向进行。

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微创、无创脑机接口技术并驾齐驱

脑机接口工作的方式是通过电极元器件进行信号的采集,PC对信号进行解码、编码处理等,最后反馈给大脑的过程,技术的实现主要有两种方案,分别为非侵入式方案与侵入式方案,他们之间最大的区别是,是否对大脑采用有创口的手术方式获取神经元信息。

传统的侵入式方案,将成千上万的电极插入到大脑中获取神经信号,因为需要进行开颅手术,会对大脑造成损伤;侵入大脑的元器件长期在脑内安置,其安全性以及性能方面也会大打折扣,这也一直是侵入式脑机接口方案最大的缺点。因为其安全性以及伦理方面的限制,侵入式脑机接口系统在动物上应用较多,相关人体研究目前仅限于神经系统损伤和疾病患者等临床特殊患者群体。

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而此次世界人工智能大会上公开的免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口技术有望打破侵入式方案的桎梏,提高植入的安全性。中科院上海微系统所的方案是通过免开颅方式进行微创植入电极,植入尺度小于输液针孔口径。

团队独创的蚕丝蛋白包裹电极的技术可以把柔性的电极暂时硬化,这样只需要开一个很小的孔,类似做针灸一样将包裹后的电极直接放入脑袋里,而它到了脑后又会逐渐变软,留在大脑内部的神经电极就可以把实验体的脑电波传入电脑,后期可进行解码与人工智能预测。

柔性让“脑机接口”更加接近临床转化,技术人员有个很巧妙的比喻,可以很好地理解柔性电极的功效,如果把大脑比作豆腐,柔性“脑机接口”就仿佛把一根蚕丝插入到一块豆腐中,它可随着豆腐一同晃动,不会对豆腐造成伤害。

柔性电极化极大地提高了侵入元器件的安全性,并且柔性的方案很好地固化了电极,其无创的方式降低了脑损伤的伤害,目前,该系统已应用于鼠、兔、猴等多种动物模型,并能够实现术后急性信号采集和长达8个月的稳定神经信号跟踪,对后续的临床试验有很大的裨益。

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马斯克的Neuralink最新方案中,对安全性能也做了很大的革新,相较于之前的方案,最新的技术让开颅的尺寸缩小到硬币大小,减少了对脑部组织的创伤,使得开颅手术较以往变得完全了许多。

关于有创伤的手术操作方面,因为大脑的精细与复杂性,手术的过程不得出现任何闪失,Neuralink还研制了一种植入机器人。这台机器人能自动避开血管等大脑关键精细的部位,把比头发还要细的微小电极和传感器植入到大脑深处。

有创的侵入式方案,一般都是神经系统受损严重的患者选择,以治疗为目的,风险和收益比较而言,有时候是值得冒险一试。但是这个冒险的前提是侵入式方案尽可能的安全,对大脑的损伤少一些。

设备的简化以及安全性必须要求苛刻,不能让患者陷入病没治好,还把脑子给戳坏了的处境。传统的侵入式脑机接口需要通过开颅手术来实现,由于此种方式侵入性太大,使用者面临的风险是极高的。最新技术的革新趋势让脑机接口侵入式方案的安全性大大提高了。相比传统开颅手术,这种方法对大脑的损伤更小,风险也降低。如果未来有更创新的植入技术,可能还会继续降低各种创伤风险。

道阻且长,脑机接口的安全“地雷”

从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

虽然微创与无创的方案提高了脑损伤事故的安全性,但是我们知道侵入的方案归根结底还是将大量的电极预埋到大脑里,还是有安全的风险存在。

技术的发展让脑机接口看起来减少了危险,但并没有完全远离危险,微创的电极还是会入侵大脑,对人的身心带来危害。风险包括针对人脑的手术创伤、出血、感染等。长期安置在大脑中,元器件的功能作用会产生弱化的问题,信号失真,信号传输有误等,而弱化的功能可能会导致脑机接口系统的操作失误,增加许多难以预料的风险。

相比侵入式脑机接口技术,非侵入式脑机接口技术是企业和健康人士更青睐的方式,但其技术方面也存在一些安全问题,不容忽视。

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在信号的传输与分析阶段,脑电信号存在干扰以及被误读的风险。由于颅骨对神经信号存在阻挡,目前非侵入式脑机接口装置难以获得持续稳定的脑电信号,特别是在一些需要高精度操作的脑控场景下,例如控制轮椅、驾驶汽车等,如果因脑电信号误读造成操作失误,造成的后果就非常严重。

再者就是佩戴电极帽也有一些安全风险,人在使用电极帽之后可能会有头疼、发热和视觉模糊等状况,如果是长时间佩戴的话,也有电磁波辐射的损伤,长期使用会使人脑发生不可逆的改变,带来未知的负面影响。

技术的创新伴随着潜在的和未知的风险,因为脑机接口技术涉及到人类最重要最精密最复杂的器官——大脑,所以其迭代发展的过程中风险一定需要考虑及重视,并且在所有的风险中应该首先关注技术本身的安全性,特别是当可能涉及到严重的危险时,必须将安全置于最高的地位。

无论是哪种技术方案,脑机接口的安全“地雷”问题还是很多,整体来说,虽然微创的技术减少了脑损伤的部分安全隐患问题,向着安全的方向靠近了一些,但是脑机接口技术毕竟在发展的初始阶段,整体的安全性进度条还在初步阶段,谈论脑机接口技术已经变得安全了有些夸张,只能说是向着安全的方向在进化中,不过,有变化总是好的事情。随着资金、人才的大量涌入带来技术的革新,脑机接口技术的风险和成本会逐渐降低,向着大带宽、便携化、可穿戴化方向发展。

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行将终至,脑机接口的漫漫征途

创新推广的新技术只能排除部分的安全风险,但是技术的发展也不能因为困难因噎废食,脑机接口的科学愿景和钱景还是很有吸引力,其应用覆盖的领域较为广泛,在医疗、教育、娱乐、军事等,尤其是在医疗领域中,除了治疗脑干受损的患者外,原则上也可以治疗重度抑郁症、自闭症、脑癫痫、阿尔兹海默症、帕金森综合征等目前难解的神经疾病。

从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

广阔的商业化前景吸引了资本的注意,有关脑机接口的融资事件不少。公开数据显示,2018年以来国内脑机接口行业融资不断增多,如专注脑控康复技术的臻泰智能2019年9月获得联想创投独家投资的数百万天使轮融资,聚焦脑机接口系统相关设备研发的博瑞康在2021年3月获得红杉中国领投的上亿元B轮融资,NeuraMatrix获得由经纬中国数百万美元Pre-A轮融资,脑陆科技在2020年12月获得1亿元A轮融资。

虽然脑机接口技术吸金,但是其技术整体来说还是属于发展的初期阶段,商业化落地的话路径蹒跚,目前主要还是在医疗领域发力,比如康复训练已经进入了临床试验的阶段。脑机接口技术还远未成风口,谈竞争似乎也是有点牵强了。

脑机接口产业领域的发展还是以学术界研究机构领头,他们的科研实力较强,巨头企业或者是牵手合作,或者是收购等方式,进行早期的布局。Facebook通过收购脑机接口(BCI)创企CTRL-Labas,开发一种可以与其他设备直接连接的外设。马斯克家的Neuralink主要是从侵入式方面进行探索。

国内的玩家比如博睿康、脑陆科技等,大都从非侵入方面的设备层面进行切入,阿里与NeuraMatrix公司牵手合作,共同探索未来的脑机接口应用淘宝意念购。整体来说行业内主要研究的方向还是以非侵入式脑机接口为主,落地的应用在医疗领域。

从脑瘫患者重获交流到免开颅微创,脑机接口更安全了吗?

对于大脑的物理结构层面的研究,人类几乎已经走完了观乎其外、入乎其内的过程,但是驭乎其外的境界还远没有达到。对于大脑中各个分区以及功能物理结构等人类已经有了很好的理解,但是大脑拥有上百亿个神经元,他们之间怎么通过连接、传递信号完成信息的处理,中间的过程是黑盒子。

映射到脑机接口技术中,充当神经元的电极数量远远小于大脑的神经元,再加上本身技术层面的信号带宽与失真以及安全性的桎梏因素等,目前的脑机接口技术还是只能实现一些不太复杂的脑电信号的读取和转换。

要想实现更为复杂的交互和功能,像电影《黑客帝国》或者是《攻壳机动队》中所想即所得,通过“下载”能够熟练地掌握新知识、新技能,需要很漫长的路要走。

道阻且长,行将终至,脑机接口技术是人机交互、人人交互的终极形态,但是发展到这一步还需要时间的打磨,很多人担心脑机接口技术会打开潘多拉的盒子,但是正如《超体》电影的台词所述,带来混沌的是无知而不是知识与技术,未来脑机接口技术是对人脑的增强而不是控制与干预,是促进人类交互的蓬勃发展的工具,去更好地理解自然、宇宙。

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(责任编辑:李佳佳)
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