脑机接口最新进展！全球首创大脑电信号“双向读写”

电子发烧友网报道（文/李弯弯）脑机接口（Brain-Machine Interface，BMI ；Brain Computer Interface，BCI），指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。这一概念其实早已有之，但直到上世纪九十年代以后，才开始有阶段性成果出现。 
 
脑机接口是一种在脑与外部设备之间建立直接的通信渠道。其信号来自中枢神经系统，传播中不依赖于外周的神经与肌肉系统。常用于辅助、增强、修复人体的感觉、运动功能或提升人机交互能力。
 
脑机接口最新进展
 
近日，武汉光谷企业衷华脑机独立自主研发的“植入式脑机接口系统”通过科技成果评价。由中国科学院院士赵继宗、中国工程院院士李培根等11位院士专家组成的鉴定组一致认定，该系统具有完全自主知识产权，在脑机接口领域整体达到国际领先水平。
 
从“单向读取”到“双向读写”是“植入式脑机接口系统”的革新性创新。据介绍， 衷华脑机独立开发的双向神经信号测量与调控芯片，不仅可读取大脑神经电信号，还可通过电流刺激等方式向大脑发送信号。
 
该“植入式脑机接口系统”的研发成功，将使许多过去难以想象的应用成为可能，衷华脑机创始人、首席科学家黄立介绍，脑机接口进入临床阶段后，可用于截瘫、脊椎损伤、意识障碍、抑郁症、痴呆症、失明失聪等疾病的研究与治疗。
 
依托脑机接口的植入，大脑电信号实现在人体内外的“双向”读取与输出，可能使眼球坏死的病人复明；可能使重度失眠患者能够拥有深度睡眠；可能使脊柱神经损伤的病人重新站立行走；可能将计算机与人脑直接进行连接，实现通信和控制……将为人类的疾病治疗、认知与控制带来全新的想象空间。
 
此外，8月23日，《自然》杂志发布的两篇研究表明，两名因严重瘫痪而无法说话的患者通过采用侵入式脑机接口（BCI），能以前所未有的准确性和语速与他人进行交流。两项研究相互独立，分别来自美国斯坦福大学团队和加州大学旧金山分校团队。
　　
两项研究的植入物根据大脑活动，将神经信号翻译成文本或单词。两项研究的结果大致相似。患者的平均语速约为60~80个单词/分钟，几乎是正常对话速度的一半，但比之前脑机接口成果的速度至少快三倍。
　　
在斯坦福大学团队的研究中，患者由于肌萎缩侧索硬化症导致言语不清，研究团队通过插入大脑的细电极阵列，收集单个细胞的神经元活动，并将所收集的信息通过人工神经网络进行解码，搭配语言模型将病人想说的话“发声”。
 
在该装置的帮助下，一名肌萎缩性侧索硬化症病人能以平均每分钟62个词的速度进行交流，大约是过往设备速度的3.4倍，也更接近自然说话的速度（每分钟约160个词）。
 
在加州大学旧金山分校团队的研究中，其实验对象为因脑干中风而导致全身瘫痪并失去了语言能力的患者，研究目标是帮助因中风、脑瘫和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等疾病而无法说话的人，让失去言语的人可以通过计算机化的自己的图片进行实时对话，传达语调、抑扬和如喜悦、愤怒等情绪。
 
研究团队开发了一种植入式脑机接口，通过在脑部植入数十个微型电极，解码大脑产生的电信号。经过训练深度学习模型，可以将大脑信号同时转化为三种输出形式，包括文字、语音和可说话的虚拟形象。患者只需要在脑海中思考语言，植入电极就可以捕捉到她大脑相关语言中枢的活动电信号，并输出为完整流畅的语句。
 
在这项研究中，患者使用植入装置时，她的语音合成速率可达到每分钟78个词（错误率为25%），与正常160词/分钟的说话速度很相近。
 
脑机接口研究的重要意义
　　
近些年，脑机接口不断取得进展，除了上述谈到侵入式技术越来越成熟之外，也有从侵入式到非侵入式的研究。脑控在专业医疗领域的应用，长期以来是通过侵入式BCI来实现的。近年来非侵入式BCI也开始在医疗场景下表现出一定效果，这对于更多患者而言也非常有利。
 
目前无论是科技企业、还是投资机构，对脑机接口未来的发展都极度看好，比如，国内的达摩院、天桥研究院、科大讯飞、汉王科技等企业，都已经围绕脑机接口和人工智能等领域展开研究。红杉中国、鼎晖投资、蓝驰创投等创投机构近年来也在脑机接口领域进行投资。
 
脑机接口的研究在医疗领域具有重要意义。复旦大学附属华山医院神经外科副主任、中国神经科学学会脑机接口与交互分会副主任委员吴劲松团队曾做过一项调研，现阶段，中国因为各种神经系统疾病导致的失语症人群数量，每年新增近100万左右，包括渐冻症患者，脑卒中、脑肿瘤患者，以及车祸导致的高位截瘫病人、脑干损伤导致的失语人群等。
 
他根据流行病学调查数据推测，国内无法通过传统康复手段恢复的失语人群，共约800万人。在他看来，这些病人未来可能是脑机接口技术的受益人群。
 
小结
 
从最近的几项研究可以看出，脑机接口技术正在不断成熟，衷华脑机独立自主研发的植入式脑机接口系统，实现从单向读取到双向读写，就很极具革新性创新。斯坦福大学和加州大学旧金山分校的研究，将严重瘫痪无法说话患者的交流语速大幅提升。可想而知，未来随着脑机接口技术愈发成熟，它将是众多失语患者的福音。