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曾(ceng)经科幻片里(li)的内容,正在成为现实:装(zhuang)载脑(nao)机接口系统后,瘫痪(huan)青年可(ke)通过“意念”操控机械臂抓握水杯,渐冻症患者具备了简单语言交(jiao)流能力,瘫痪(huan)中年教师获得脑(nao)控精细运动能力,有望重新弹(dan)奏钢琴。
给这些患者带来(lai)福音的是“北脑(nao)一(yi)号”智能脑(nao)机系统。“北脑(nao)一(yi)号”是由北京芯智达神经技(ji)术有限公司(以下简称芯智达)联合北京脑(nao)科学与类脑(nao)研究(jiu)所(以下简称“北京脑(nao)所”)推(tui)出的半侵入式智能脑(nao)机系统。
今年3月20日,北京脑(nao)所宣布,“北脑(nao)一(yi)号”智能脑(nao)机系统已(yi)完成国际首批柔性高通量半侵入式无线全植入脑(nao)机系统的人(ren)体植入,进(jin)入临床验证(zheng)阶段。目前,已(yi)有3例患者分别在北京大学第一(yi)医院、首都(dou)医科大学宣武医院、首都(dou)医科大学附属(shu)北京天坛医院完成手术植入,患者术后恢(hui)复良好,并经过术后训练实现了运动想(xiang)象脑(nao)控和中文言语实时解码。
未来(lai)脑(nao)机接口技(ji)术发展趋势如何?需要解决怎样的技(ji)术难(nan)点?如何应对伦理挑战?3月31日,中关(guan)村(cun)论坛年会“脑(nao)机接口创新发展与应用(yong)论坛”召开。新京报记者专访了北京脑(nao)所所长罗(luo)敏敏。
北京脑(nao)所所长罗(luo)敏敏。受访者供图(tu)
脑(nao)机接口医疗,为瘫痪(huan)者带来(lai)康(kang)复希望
新京报:“北脑(nao)一(yi)号”已(yi)有3例临床应用(yong),目前表现如何?
罗(luo)敏敏:第一(yi)例患者是一(yi)位因车祸受伤后四肢瘫痪(huan)近(jin)两年的30岁青年。今年2月27日,北京大学第一(yi)医院伊志强(qiang)团队为他植入“北脑(nao)一(yi)号”后,他便可(ke)以通过脑(nao)控实现机械臂运动抓握水杯。
第二例患者是一(yi)位67岁的渐冻症患者,此(ci)前几乎不能说话。今年3月5日,首都(dou)医科大学宣武医院为患者实施了全球首例无线植入式中文言语脑(nao)机接口手术。植入“北脑(nao)一(yi)号”后,患者开始接受言语解码训练,现在已(yi)可(ke)以通过机器输出语言的辅助,具备简单的语言交(jiao)流能力。
第三(san)例患者是一(yi)位47岁的瘫痪(huan)患者。今年3月20日,首都(dou)医科大学附属(shu)北京天坛医院神经外科学系教授赵继宗医疗团队为其(qi)植入了“北脑(nao)一(yi)号”。患者目前能够(gou)驱动肌肉刺激(ji)装(zhuang)置,促进(jin)自身肢体运动功能逐(zhu)渐康(kang)复。
目前来(lai)看,“北脑(nao)一(yi)号”完成人(ren)体植入后,患者术后恢(hui)复良好,设备有效通道数(通道数,即大脑(nao)内信号的记录点位数量)98%以上。
新京报:相比传(chuan)统康(kang)复治疗,脑(nao)机接口医疗技(ji)术的优势是什么?
罗(luo)敏敏:对于(yu)很多患者而言,传(chuan)统康(kang)复治疗存(cun)在一(yi)些局限性,即使经过长期的康(kang)复训练,许多患者的运动能力也难(nan)以恢(hui)复。而脑(nao)机接口技(ji)术的出现,为这些患者带来(lai)了更多康(kang)复的希望。人(ren)的大脑(nao)在进(jin)行(xing)思(si)维活动时会形成脑(nao)电波(bo),医疗人(ren)员通过植入电极,便能直(zhi)接读(du)取大脑(nao)的意图(tu),实现所谓(wei)的“意念”控制。这样,脑(nao)机接口系统能帮助患者绕(rao)过受损的神经通路(lu),直(zhi)接用(yong)“意念”控制肢体,进(jin)一(yi)步(bu)恢(hui)复自主运动能力。
“北脑(nao)一(yi)号”拥有128通道,实现了全球同类脑(nao)机产品的最大信号通量,信号采集精度、信号传(chuan)输和处理性能均处在世界先进(jin)水平。这套系统通过微型体内机、便携(xie)式体外机和软件算法,可(ke)以为脊(ji)髓(sui)损伤、脑(nao)卒中、肌萎缩侧索硬化症(渐冻症)等运动和言语功能障碍患者带来(lai)康(kang)复的希望。
应对伦理挑战,应让人(ren)类获益大于(yu)风险
新京报:脑(nao)机接口技(ji)术面临的主要难(nan)点是什么?
罗(luo)敏敏:我们需要解决的核心技(ji)术问题,就是电极要和生物组织(zhi)具有良好的生物相容性。我们知道,电子材(cai)料是比较坚硬的,而人(ren)脑(nao)内的生物组织(zhi)比较柔软。将生物芯片植入人(ren)脑(nao)后,很容易引起生物排斥,化解这种排斥并提高相容性,是主要难(nan)点之一(yi)。另外,我们为了记录更多的数据、获得更高的解码质量,就需要更多的通道。然而,更多的通道也意味着对机器设备的通讯和能耗(hao)提出更高的要求。我们需要同时控制能耗(hao)、保障信号采集质量,还要控制住温升,这就需要高标(biao)准(zhun)的系统集成能力。
再者就是解码的难(nan)题。当(dang)我们采集到患者的电生理信号后,需要快速解码患者的意图(tu)。这需要机器一(yi)方(fang)面能够(gou)采集大量数据,另一(yi)方(fang)面还能快速分析(xi)、得出结果。实际应用(yong)中,机器需要在几十毫秒之内解码出患者想(xiang)要表达的内容,这对计算和算法的挑战很大。
新京报:未来(lai)技(ji)术会让人(ren)脑(nao)像科幻片里(li)一(yi)样无所不能吗?
罗(luo)敏敏:很多网友(you)也说,会不会将来(lai)人(ren)就不用(yong)学习了,每(mei)人(ren)脑(nao)子里(li)植入芯片就行(xing)了。但我认为,在短期内,技(ji)术还达不到这种可(ke)能性。现有脑(nao)机接口技(ji)术主要分为“非侵入式”和“侵入式”两种。“非侵入式”技(ji)术只能读(du)取头皮表面的宏观电活动,分辨率(lu)低(di),而“侵入式”技(ji)术虽然精度高,但覆(fu)盖范围又比较小(xiao)。相较人(ren)脑(nao)产生的海量信号来(lai)说,这两种技(ji)术能捕捉到的神经信号都(dou)很有限。另外,脑(nao)机接口不是装(zhuang)上就能使用(yong)的,还需要用(yong)户长期训练才(cai)能实现稳定(ding)操作。
人(ren)类发展脑(nao)机接口技(ji)术,是用(yong)来(lai)真(zhen)正帮助到有需要的人(ren)。目前世界上还有几百万高位截瘫患者、上千万言语障碍患者,能用(yong)技(ji)术帮助他们实现康(kang)复,才(cai)是真(zhen)正的“技(ji)术向善”。
新京报:脑(nao)机接口技(ji)术是否有伦理挑战?如何应对这一(yi)挑战?
罗(luo)敏敏:脑(nao)机接口技(ji)术和其(qi)他新兴的医疗技(ji)术一(yi)样,面临的伦理挑战在于(yu),是否具有安全性和有效性。我认为在发展新技(ji)术的过程中,需要评(ping)估使用(yong)该技(ji)术所获得的收益以及相应风险。如果人(ren)类的获益大于(yu)风险,那么技(ji)术的使用(yong)就是正当(dang)的。
技(ji)术趋势,让人(ren)机沟通更加精准(zhun)和自然
新京报:“北脑(nao)一(yi)号”已(yi)经有3例临床应用(yong),将来(lai)有怎样的打算?
罗(luo)敏敏:接下来(lai),“北脑(nao)一(yi)号”还将继续优化,最快在今年年底,有望通过申报,正式走入注册临床试验阶段。另外,解码是一(yi)个非常需要在短期之内提高的方(fang)向,怎么和更多的外部设备连起来(lai),让患者可(ke)以在手机上玩点游戏,控制一(yi)些外设,利用(yong)外骨骼(ge)、外部的机械手做非常精细的运动控制,这都(dou)是短期之内就要提高、实现的。我们希望有新一(yi)代(dai)“北脑(nao)一(yi)号”2.0版本,有更多的通道数、更多脑(nao)区的采集、更好的行(xing)为解码,从而让机器更加智能。
同时,“北脑(nao)二号”的研发也在持续开展。“北脑(nao)二号”的核心组件包括自研高通量柔性微丝电极、千通道高速神经电信号采集设备、基于(yu)前馈控制的生成式神经解码。2024年,“北脑(nao)二号”在国际上首次实现非人(ren)灵长类对二维运动目标(biao)的脑(nao)控拦截。今年这套设备有望升级为“无线版”,制作原型机并开展大动物实验。再过一(yi)两年时间,“北脑(nao)二号”有望进(jin)入人(ren)体临床阶段。
新京报:整体上看,你认为脑(nao)机接口技(ji)术有怎样的发展趋势?
罗(luo)敏敏:未来(lai),脑(nao)机接口系统应该是高通量,现在我们的脑(nao)机接口系统是百通道数,将来(lai)会迈向数千、数万甚至更多的通道数。另外,整个系统将是多模态融合发展趋势。电极能兼容电、光、声、磁等多种信号类型的传(chuan)感器,从而实现不同传(chuan)感器之间的高效同步(bu)。在解码方(fang)面,未来(lai)的脑(nao)机接口系统将更好地借助AI等前沿技(ji)术,对超高通量多模态数据进(jin)行(xing)算法分析(xi)与精准(zhun)解码,能深度解析(xi)复杂大脑(nao)活动。
未来(lai)由AI增(zeng)强(qiang)的闭环脑(nao)机接口,将会让机器与用(yong)户的沟通变得更为精准(zhun)、自然。随着技(ji)术臻于(yu)成熟,应用(yong)场景也会扩(kuo)大。现阶段的脑(nao)机接口应用(yong)场景局限在特定(ding)的使用(yong)场地中,而且还需要专业的操作人(ren)员指(zhi)导使用(yong)机器,这让人(ren)使用(yong)起来(lai)很不方(fang)便。未来(lai),机器设备的形态应是便携(xie)化、易操作、高舒适度,患者使用(yong)脑(nao)机接口系统就像穿衣(yi)服一(yi)样简单。
新京报:发展脑(nao)机接口技(ji)术,北京有怎样的优势?
罗(luo)敏敏:北京的科研机构比较多,汇聚了全国顶(ding)尖(jian)的科研机构与人(ren)才(cai)资源,有很多高校院所长期深耕神经科学、人(ren)工(gong)智能、材(cai)料科学等交(jiao)叉领域,这有利于(yu)科研合作。另外,北京的产业协同性、政策环境也比较好。例如,我们在政府部门支持下,联合天坛医院、宣武医院、北大医院等单位开展多项(xiang)临床研究(jiu),加速了技(ji)术从实验室走向应用(yong)的进(jin)程。
新京报记者 赵利新
编辑 张磊 校对 刘越