脑机接口实现“意念”吃蛋糕，医学使命下的科技远方

文/陈根

不论是马斯克“脑机接口”(BCI)技术的重大突破,包括其设备获得FDA“突破性设备计划”许可的消息,还是全球范围内以Neuralink、Mind Maze、Neuro Pace、BrainCo等为代表的脑机接口公司的频现,都昭示着曾经被视为科幻的脑机接口如今已照进现实的事实。

脑机接口的热议似乎也走向了赛博朋克里关于“人机”的预言,即所谓的“自由个人”终将成为一个虚构的故事,转而变为生化算法的组合,并逐渐走向医学的使命。

医疗康复是脑机接口技术应用最主要的方面。脑机接口可通过与环境的交互实现重症瘫痪患者多种功能的替代,也可促进大脑重塑以恢复运动功能,减轻残疾程度以改善患者生活质量。

比如,重度运动障碍患者可以在脑机接口技术帮助下,借助意念控制机械臂操作完成一些复杂运动,包括肌萎缩性(脊髓)侧索硬化、脊髓损伤及其他残疾患者,利用脑机接口机械假肢或脑机接口电动轮椅等以补偿部分功能。而运动功能丧失患者则有望借助脑机接口技术利用自身脑电图操控轮椅或机器人,以辅助一些基本运动功能。

2006年,布朗大学研究团队完成首个大脑运动皮层脑机接口设备植入手术,能够用来控制鼠标。2012年,脑机接口设备已能够胜任更复杂和广泛的操作,得以让瘫痪病人对机械臂进行操控,自己喝水、吃饭、打字与人交流。

2014年巴西世界杯开幕式,高位截瘫青年Juliano Pinto在脑机接口与人工外骨骼技术的帮助下开出一球;2016年,Nathan Copeland用意念控制机械手臂和美国总统奥巴马握手。

上个月,瘫痪 30 多年的罗伯特·布兹·克米勒维斯基(Robert Buz Chmielewski)再一次,展示了如何通过大脑,控制两支机械手臂拿起餐具给自己喂食的全过程。

Chmielewski 作为 C6 脊髓损伤的患者,他的大脑健康,脖子以下神经完好无损,但肩膀以下均为瘫痪状态,仅剩肩膀和手腕的一些残余功能。2019 年 1 月,Chmielewski 作为约翰斯·霍普金斯大学一项脑机接口研究的参与者,通过一次长达 10 小时的手术,将六个微电极阵列(MEA)植入大脑两侧。随后,研究者一直试图通过不断的改善和训练,让他获得同时控制两个假肢的能力。

本次试验中,研究人员就将六个微电极阵列(MEA)分别植入到参与者的大脑两个半球中,其中一半在运动皮层中,另一半在感觉皮层中。

在实验中,研究小组植入的 MEA 允许计算机读取来自参与者运动皮层的信号,这些信号传达了运动意图。紧接着,计算机解码这些信号并将其发送到机械臂,从而使参与者可以像他真实的手臂一样,控制其运动。

此外,研究小组通过多电极阵列读取大脑信号的方法,有助于开发一种机器学习算法,该算法可解码用户的意图,并将其转变为特定的神经信号模式,最后通过计算机的转换以指导手臂运动。

终于,Chmielewski得以通过自己的大脑信号使用刀叉切割食物,随后命令机械手臂将食物带到嘴边几英寸处,最后吃掉食物。

可以说,这是受疾病或伤害影响的患者将向恢复自控能力迈出了一大步,第一次,人类可以用双侧大脑植入物使截瘫患者控制两条机械手臂,并产生了两手触摸的感觉。