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「腦機接口」的腦洞，還能怎樣大開？

前段時間，科技狂人 Elon Musk 現(xiàn)場展示了 Neuralink 最新進展，和他的三只小豬一起沖上熱搜。有人說這才是前沿科技，大呼一個全新時代要開始了；也有人說這便是霍金所說的外星人，馬斯克也只是高配版賈躍亭罷了。

其實，在此起彼伏的褒貶聲中，小朋友們有很多問號，比如：

植入了以后如何充電？數(shù)據(jù)中斷怎么辦？

再比如：

更新?lián)Q代或者損壞維修的時候又得取出來嗎？

可以看出，不少人將關(guān)注點放在腦機接口產(chǎn)品與大腦之間的關(guān)系是否穩(wěn)定這一問題上，而這也是該領(lǐng)域研究人員一直以來想要做出的突破。

就在最近，一組美國加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）威爾神經(jīng)科學(xué)研究所的科學(xué)家經(jīng)研究證明，癱瘓患者通過大腦活動控制電腦光標(biāo)的過程可以通過機器學(xué)習(xí)做到，無需大量的再訓(xùn)練。

UCSF 對此的描述是：

首個在癱瘓患者身上展示的“即插即用”腦機接口。

看來，腦機接口真能“即插即用”了。

腦機接口“即插即用”

這項研究于 2020 年 9 月 7 日發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊 Nature Biotechnology，題為 Plug-and-play control of a brain–computer interface through neural map stabilization（基于神經(jīng)地圖的穩(wěn)定腦機接口即插即用控制）。

借助腦機接口恢復(fù)癱瘓患者運動能力、還原神經(jīng)性疾病患者語音能力的報道已經(jīng)屢見不鮮了，但阻礙腦機接口實際應(yīng)用的一大局限便是可靠性。

想象一下，一款產(chǎn)品每天都要重新設(shè)置和校準(zhǔn)，還不能進入大腦的自然學(xué)習(xí)過程，就像一個人一生中每次騎自行車都要從頭學(xué)起。

為此，研究團隊的目標(biāo)很明確：開發(fā)出一種無需重新校準(zhǔn)而保持產(chǎn)品性能穩(wěn)定的腦機接口技術(shù)。

長期植入 ECoG 電極陣列

上圖展示的是一個 ECoG 電極陣列，ECoG 全稱是 electrocorticogram，指「皮層腦電圖」，即顱內(nèi)的腦電圖掃描。這是一種侵入的方式，植入電極、將電極直接置于大腦的暴露表面，從而記錄大腦皮層的電信號，不論是手術(shù)環(huán)境還是術(shù)外環(huán)境均可使用。

一個 ECoG 陣列包括一塊電極，大小就像是一張便利貼，手術(shù)中它可以放置在患者大腦表面。

ECoG 電極陣列能夠長期、穩(wěn)定地記錄神經(jīng)活動，并已被批準(zhǔn)用于癲癇患者的疾病發(fā)作監(jiān)測。

據(jù) UCSF 官方介紹，此前腦機接口技術(shù)使用的是一種「針式電極陣列」，這種陣列可以穿透腦組織、獲得更敏感的記錄。但其缺點就在于：

• 隨著時間推移，信號往往會轉(zhuǎn)移或丟失。
• 電極穿透腦組織時，免疫系統(tǒng)會進行排異。

可以說，ECoG 陣列雖然比傳統(tǒng)植入物的敏感度低，但其長期穩(wěn)定性似乎彌補了這一缺陷。

研究中，團隊向癱瘓患者大腦長期引入了 128 慢性皮層腦電圖（ECoG）植入物，從而穩(wěn)定監(jiān)測信號。

據(jù)悉，研究團隊在此之前已經(jīng)獲得了在癱瘓患者腦中長期植入 ECoG 陣列的調(diào)查性器械批準(zhǔn)，這一做法也是在測試 ECoG 陣列作為長期、穩(wěn)定的腦機接口植入物是否安全有效。

基于已植入的 ECoG 陣列，研究人員嘗試讓癱瘓患者控制假肢和自己的手，結(jié)果是：患者可以借助植入物來控制屏幕上的光標(biāo)。

大腦和機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)“成為伙伴”

此外，團隊開發(fā)了一種腦機接口算法，利用機器學(xué)習(xí)將 ECoG 電極記錄的大腦活動與用戶預(yù)期的光標(biāo)移動相匹配。

最初，研究人員每天遵循重置算法的標(biāo)準(zhǔn)做法，同時患者看著屏幕上移動的光標(biāo)，想象脖子和手腕會做出的動作。慢慢地，計算機算法會自我更新，光標(biāo)運動與由此產(chǎn)生的大腦活動相匹配。值得一提的是，大腦信號和機器學(xué)習(xí)增強算法之間持續(xù)相互作用，性能在較長的一段時間內(nèi)都并未降低。

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據(jù) UCSF 介紹，在沒有再訓(xùn)練的 44 天里，腦機接口的性能沒有下降，患者甚至是連續(xù)幾天不練習(xí)也保持住著此前的表現(xiàn)。

這背后的原理則是，長期閉環(huán)解碼器能實現(xiàn)自適應(yīng)，其中解碼器權(quán)重可在多天內(nèi)跨多個會話進行，因此實現(xiàn)了神經(jīng)地圖的合并和所謂的“即插即用”（原文是 plug-and-play）。不僅如此，控制特性（指長期維度堆疊）還會有所增加。

隨著時間的推移，患者大腦能夠放大神經(jīng)活動模式，從而有效地推動人工接口通過 ECoG 陣列消除效率低的信號，而這一過程正如大腦學(xué)習(xí)復(fù)雜任務(wù)的過程那樣。

不難看出，研究團隊通過穩(wěn)定的信號監(jiān)測，讓大腦和機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)隨著時間的推移建立了穩(wěn)定的“伙伴關(guān)系”。

因此，研究團隊表示：

設(shè)計出一種不會被束縛手腳的技術(shù)，切實改善癱瘓患者的日常生活，是我們一直以來希望看到的。實驗數(shù)據(jù)表明，基于 ECoG 的腦機接口可能正是這種技術(shù)的基礎(chǔ)。通過利用 ECoG 接口的穩(wěn)定性和神經(jīng)可塑性，我們?yōu)榭煽俊⒎€(wěn)定的腦機接口控制貢獻了一條思路。讓人工學(xué)習(xí)系統(tǒng)適應(yīng)大腦復(fù)雜的長期學(xué)習(xí)模式，是以前從未在癱瘓患者身上嘗試過的。

就未來的研究方向而言，論文作者之一、威爾神經(jīng)科學(xué)研究所神經(jīng)病學(xué)副教授 Karunesh Ganguly 博士表示：

我們下一階段研究的關(guān)鍵目標(biāo)是探索 ECoG 陣列對于更復(fù)雜的機器人系統(tǒng)（包括假肢）的長期控制。

關(guān)于作者

上文提到，這項研究來自于美國加州大學(xué)舊金山分校威爾神經(jīng)科學(xué)研究所。

在威爾神經(jīng)科學(xué)研究所官網(wǎng)首頁，有一句顯眼的標(biāo)語：

努力解決與人腦相關(guān)的問題，減少神經(jīng)和精神疾病的痛苦。

該研究所設(shè)有：

• 神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)和神經(jīng)外科三大部門，同時關(guān)注病人護理和相關(guān)研究。
• 一個神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究生項目，這一項目是一個由 UCSF 17 個基礎(chǔ)科學(xué)和臨床部門近 100 名教員組成的跨學(xué)科聯(lián)盟。
• UCSF 神經(jīng)退行性疾病研究所，這是一個多學(xué)科研究中心，致力于尋找有效治療阿爾茨海默氏病、額顳癡呆、帕金森氏病等神經(jīng)退行性疾病的方法。

其中，威爾神經(jīng)科學(xué)研究所神經(jīng)病學(xué)副教授 Karunesh Ganguly 博士也參與了這項研究。

Karunesh Ganguly 博士曾獲斯坦福大學(xué)化學(xué)學(xué)士學(xué)位、加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)博士學(xué)位（神經(jīng)科學(xué)），并榮獲科學(xué)家和工程師總統(tǒng)早期職業(yè)獎（PECASE）。