腦機接口能做什么？帶上電極帽，你可以在實驗室中用意念控制無人機飛行；在大腦皮層中植入電極，癱瘓病人能夠用意念打字或者驅(qū)動輪椅。無論是無創(chuàng)還是有創(chuàng)的腦機接口，都試圖在人類大腦與外部機器之間建立連接。過去幾十年中，腦機接口技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，一步步從科幻走向現(xiàn)實，也開始從實驗室走向生活。2019年7月，埃隆·馬斯克旗下 Neuralink 公司發(fā)布了一款縫紉機式的外科機器人，它可以在頭骨上打洞，并將3072個微電極置入大腦皮層。

最近，《國家科學(xué)評論》（National Science Review，NSR）采訪了卡耐基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任賀斌。賀斌是無創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家，2013年，他的研究團隊利用無創(chuàng)腦機接口技術(shù)，實現(xiàn)了意念控制無人機飛行并跨越障礙，2019年，他的團隊又實現(xiàn)了意念控制下機械臂對運動光標(biāo)的連續(xù)追蹤。在這次訪談中，賀斌談到了腦機接口技術(shù)的歷史與未來應(yīng)用方向，并著重介紹了無創(chuàng)腦機接口相關(guān)的機遇與挑戰(zhàn)。

腦機接口的歷史與現(xiàn)狀

NSR：如果要向普通人介紹腦機接口技術(shù)，您會怎么介紹？

賀斌：我認為腦機接口包含兩個方面。第一方面是現(xiàn)在大眾比較感興趣的：我們可以檢測人的大腦信號，解碼其中的含義，再用這個含義去控制機器，這里所說的機器可以是機械臂、無人機、電腦等等。但是從廣義上講，腦機接口還包括另一個方面：我們可以不只是被動地接收大腦信號，還可以把電、磁、聲等信號傳入大腦，來刺激或者調(diào)控神經(jīng)回路的活動。目前，這種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)主要用于疾病治療。

NSR：腦機接口技術(shù)的發(fā)展歷史上有哪些重要事件？

賀斌：腦機接口（brain-computer interface，BCI）這個概念是Jacques Vidal 在20世紀70年代提出的。這之后的一個重大進展是，科學(xué)家可以通過腦電信號檢測，以無創(chuàng)的方式用意念驅(qū)動光標(biāo)在屏幕上做一維運動。這項成果的出現(xiàn)，讓科學(xué)界和大眾都對腦機接口產(chǎn)生了興趣，政府和資助機構(gòu)也開始愿意資助這個研究領(lǐng)域。2004年 Jonathan Wolpaw 和同事在PNAS上發(fā)表了一篇文章，他們可以用意念驅(qū)動光標(biāo)做上下左右的二維運動。這又是無創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域的一個重大進展。后來，包括我的團隊在內(nèi)，無創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域的研究者開始嘗試不只是驅(qū)動虛擬光標(biāo)做簡單的二維運動，而是去驅(qū)動更貼近物理實際的實體做更復(fù)雜的三維運動，包括無人機、機械臂等。

在有創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域，杜克大學(xué)的 Miguel Nicolelis 團隊早期在猴子的腦中植入電極，來控制電腦光標(biāo)的運動。后來匹茲堡大學(xué) Andrew Schwartz 及同事也做了很多工作，在猴子和人身上做實驗，可以控制虛擬的光標(biāo)，也可以控制實體的機械臂。再后來，布朗大學(xué)、斯坦福大學(xué)、伯克利大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、加州理工學(xué)院等許多高校的研究者都開始進行有創(chuàng)腦機接口的研究，也取得了很多進展。

現(xiàn)在，有創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域還有一個新的方向，就是雙向腦機接口，在機械臂觸碰到物體后，可以用電信號刺激體感皮層，讓受試者感覺到自己觸碰到了物體。而不是像從前一樣，受試者只能通過視覺來了解控制的結(jié)果。

NSR：您自己是怎么進入腦機接口領(lǐng)域的？

賀斌：我最初的研究方向是神經(jīng)成像。將近20年前，在伊利諾伊大學(xué)工作期間我開始注意到腦機接口領(lǐng)域。那時候人們對于腦機接口技術(shù)的可行性和發(fā)展前景還有很多疑問，不少人都不完全相信。作為一個科學(xué)家，我想與其這樣猜測，等著其他實驗室來驗證，還不如我自己去探索一下。于是我開始在自己的實驗室做相關(guān)的工作，并且越做越覺得有意思。所以后來我從伊利諾伊大學(xué)到明尼蘇達大學(xué)，兩年前又到卡耐基梅隆，一直都在做這個方向。當(dāng)然，除了受好奇心的驅(qū)使，我也希望看到腦機接口技術(shù)能夠造福更多的患者，提高他們的生活質(zhì)量。我想大部分的腦機接口研究者都有這樣的期望。

NSR：您在自己身上用過BCI嗎？

賀斌：沒有。我知道有不少科學(xué)家會在自己身上做實驗。但是我自己有一個習(xí)慣，就是我自己從來不做被試。因為我希望自己不要因為做過被試而產(chǎn)生主觀的偏見。我不能肯定這樣做是不是對的，但我確實沒有做過任何一個實驗的被試。

無創(chuàng)腦機接口：不只是“粗糙的黑箱”

NSR：基于腦電的無創(chuàng)腦機接口接收和解析的是什么樣的神經(jīng)信號？

賀斌：無創(chuàng)腦機接口可以分為兩大類，一類是基于運動想象的，我們讓受試者想象自身肢體的運動，接收并且解析他的腦電信號，最終的效果是，當(dāng)他們在頭腦中想象機械臂或者無人機的運動時，外接設(shè)備就會隨之運動。2004年Wolpaw光標(biāo)二維移動的工作，以及我自己實驗室的工作都屬于這一類。另一類是基于事件相關(guān)電位（Event-related potential，ERP）的，研究者測量并解析ERP，以此來驅(qū)動機器。可供測量的ERP有很多種，比如P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）、聽覺誘發(fā)電位（AEP）等等。

NSR：和有創(chuàng)測量相比，無創(chuàng)腦電測量的空間精確度還是要差一些？

賀斌：沒錯，在精確性和直接性方面，無創(chuàng)是比不上有創(chuàng)的。人類大腦中有大概上千億個神經(jīng)元，如果你想用腦電去記錄每一個神經(jīng)元的活動，這是永遠做不到的。但是我想，也可以從另一個角度來理解這個問題。神經(jīng)科學(xué)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大腦的功能性活動是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中許許多多神經(jīng)元共同參與的結(jié)果，往往涉及大量神經(jīng)元的同步活動，而這種同步活動是能夠被腦電技術(shù)測量到的。所以，一方面，你可以說腦電無法測量單個神經(jīng)元或者少數(shù)幾個神經(jīng)元的活動，另一方面，你也可以說它把單個神經(jīng)元的活動過濾掉了，只留下神經(jīng)元群體有意義的集體活動。從這個意義上講，腦電測量、腦磁測量等無創(chuàng)手段有缺點也有優(yōu)點，它們對于大腦功能的掌握是有獨特意義的。

而且，在實際應(yīng)用方面，有創(chuàng)的技術(shù)很難廣泛應(yīng)用在普通人群中，即便是在患者當(dāng)中應(yīng)用，也會面臨很多問題。所以無創(chuàng)在應(yīng)用方面有優(yōu)勢，包括美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）在內(nèi)的很多機構(gòu)也越來越認可無創(chuàng)技術(shù)。現(xiàn)在腦機接口的研究相當(dāng)熱門，做有創(chuàng)和無創(chuàng)的實驗室都比較多。

NSR：做無創(chuàng)的實驗室會比做有創(chuàng)的更多嗎？

賀斌：應(yīng)該是更多的，因為做無創(chuàng)的入門門檻相對較低。做實驗的話，你需要的基本硬件只有一個電極帽，一套腦電測量裝置。如果不做實驗只做算法，那就更加容易了。因為腦電領(lǐng)域有一個非常好的傳統(tǒng)，很多實驗室，包括我的實驗室都會把自己的腦電測量數(shù)據(jù)向全世界公開。這樣，全世界任何地方的研究生都可以下載這些數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)去做分析，去開發(fā)新的更好的算法。

NSR：深度學(xué)習(xí)對于腦電信號的解析很有幫助。但是與此同時，腦電解析的過程是不是也變成了一個黑箱？我們不需要理解測量到的信號是從大腦的什么位置發(fā)出的，不需要了解信號的實際意義，只要用深度學(xué)習(xí)算法去做計算就可以了？

賀斌：機器學(xué)習(xí)的發(fā)展確實對大腦數(shù)據(jù)的解析很有幫助。尤其是在我們很難把腦電信號和單一神經(jīng)元的活動對應(yīng)起來的情況下，這樣的算法非常有價值。我認為下一代的年輕學(xué)生應(yīng)該把機器學(xué)習(xí)作為基本技能來掌握。

但是腦電解析的過程也不僅僅是一個黑箱，我們也在努力解析其中的信息，找到大腦活動與腦電信號之間的對應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)在的源定位（source localization）和源成像（source imaging）方法，可以把腦電信號定位到大腦皮層的特定位置上，分辨率最高能達到5毫米左右。5毫米的范圍內(nèi)還是包含了非常多的神經(jīng)元，但是和20年前相比，這樣的成就已經(jīng)是不可想象的，并且已經(jīng)能為臨床提供一定的支持。我們還可以把神經(jīng)刺激和神經(jīng)成像結(jié)合起來，在對大腦施加刺激之后去做成像和測量，就能夠知道大腦在刺激之下會做出什么反應(yīng)，發(fā)出哪些信號。

NSR：在硬件方面，無創(chuàng)腦機接口的信號獲取方式有大的進展嗎？

賀斌：過去一些年中，頭皮電極沒有太大的發(fā)展。實驗室中，我們使用不是很美觀的電極帽?，F(xiàn)在有些創(chuàng)新公司開發(fā)出了看上去非常漂亮的頭環(huán)產(chǎn)品，但是其中也沒有什么新的技術(shù)，只是做了一些設(shè)計上的改進，讓消費者更容易接受。和軟件、計算方法上的進步相比，硬件上確實沒有根本性的變化。

雙向腦機接口：調(diào)控大腦

NSR：您剛剛有講到雙向腦機接口，可以向大腦反饋觸覺信息，再來指導(dǎo)輸出，形成一個閉環(huán)。這方面的研究情況如何？

賀斌：在有創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域，這是最近的一個研究重點，許多實驗室都有相關(guān)的嘗試。有創(chuàng)腦機接口直接作用于大腦皮層，所以可以比較方便地向大腦反饋信號。無創(chuàng)腦機接口的研究者也想做類似的事情，但是相對來講并不容易，因為在新的無創(chuàng)神經(jīng)刺激技術(shù)誕生之前，我們很難用可穿戴裝備來直接刺激特定的大腦區(qū)域。

NSR：廣義上來講，現(xiàn)在已經(jīng)在醫(yī)療上有所應(yīng)用的大腦刺激方法，應(yīng)該也屬于反向的腦機接口？

賀斌：對，廣義上來講腦深部電刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）也可以算是腦機接口的一部分。談到這里的話，我想介紹我自己實驗室正在做的一個方向。以往的大腦刺激療法大多是用電或者磁的刺激。我們在嘗試用無創(chuàng)的方法，用超聲信號刺激大腦，達到調(diào)控或治療的效果。傳統(tǒng)的電磁刺激有一個局限，根據(jù)泊松方程和麥克斯韋方程組，電磁刺激會遇到容積傳導(dǎo)（volume conduction）的問題，這使得無創(chuàng)電磁刺激很難完全聚焦。但是超聲沒有這個問題，它可以非常聚焦地打在大腦中的特定位置上，并且同樣可以到達深腦。如果最終能夠研發(fā)出產(chǎn)品，雖然超聲刺激的效果可能比不上DBS，但它可以成為一種無創(chuàng)的臨床選擇。

NSR：現(xiàn)在似乎已經(jīng)有用超聲做大腦損傷的醫(yī)療儀器，你們想做的是更精確的調(diào)控，而不是直接破壞大腦？

賀斌：對，是這樣?，F(xiàn)在不只是我的實驗室，好幾個國家的不少實驗室也在做這樣的努力。我個人認為這是很有前景的一個方向。

腦機接口與神經(jīng)科學(xué)

NSR：腦機接口和神經(jīng)科學(xué)都以大腦為研究對象，但是在無創(chuàng)腦機接口方面，神經(jīng)科學(xué)能夠做出的貢獻似乎有限？

賀斌：相對來講，有創(chuàng)腦機接口和神經(jīng)科學(xué)之間的聯(lián)系會更加緊密一些，因為它們都要對神經(jīng)元和大腦做比較細致的操作，二者之間有很多共享的實驗技術(shù)手段。但我想對于整個腦機接口技術(shù)的長期發(fā)展來說，神經(jīng)科學(xué)、計算科學(xué)、材料科學(xué)等等都是不可或缺的。

NSR：在腦機接口領(lǐng)域，非人靈長類動物的應(yīng)用情況如何？在應(yīng)用于人類之前，是否需要在猴子上做實驗？

賀斌：在用意識操縱機器方面，有創(chuàng)的研究者會在猴子身上做一部分實驗，因為要在人的大腦中植入電極還是比較復(fù)雜的事情。但是對于無創(chuàng)來說，我們通常還是直接進行人體實驗的，用猴子來做行為實驗反而難得多，效果也不好，因為猴子很難配合實驗操作，要給它戴上電極帽，讓它理解你的實驗?zāi)康牟⑴浜蠈嶒灦疾蝗菀?。我在明尼蘇達大學(xué)的時候做過類似的嘗試，確實很難。

當(dāng)然如果我們要做反向的腦機接口，用外界信號調(diào)控大腦，從動物實驗（包括但不限于猴子）開始是很自然的選擇。

展望：腦機接口的發(fā)展方向

NSR：腦機接口領(lǐng)域中，將會產(chǎn)生突破的重點研究方向是什么？

賀斌：在有創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域，閉環(huán)的腦機接口是許多實驗室目前的研究重點。作為旁觀者，我認為這是可能在5到10年內(nèi)產(chǎn)生重要成果的方向。

在無創(chuàng)方面，腦電信號的分析方法一定還會提高。此外，我認為我們不能只做計算，實驗是非常重要的。我們一定要把算法用在實際的實驗中，做出更貼近實際生活的工作和產(chǎn)品，才能真正推動這一領(lǐng)域的進步。

要做出真正造福人類的技術(shù)和產(chǎn)品，我們還需要更多年輕人進入腦機接口領(lǐng)域。這是一個多學(xué)科的領(lǐng)域，無論有創(chuàng)還是無創(chuàng)，我們都需要神經(jīng)科學(xué)、工程學(xué)， 計算科學(xué)、材料科學(xué)等各個學(xué)科背景的人才。

NSR：中國腦機接口領(lǐng)域的研究進展如何？

賀斌：中國在腦機接口領(lǐng)域做了很多工作，相關(guān)的研究者也很多。其中做得比較有特色的，一是清華大學(xué)的團隊，他們在基于SSVEP（穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位）的無創(chuàng)腦機接口方面做得十分出色，是國際上做得比較早，并且實力領(lǐng)先的；二是浙江大學(xué)的團隊，他們在有創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域做了比較多、也非常有特色的工作。其他的中國團隊還有很多，但這兩個應(yīng)該是其中最有特色的。

20年內(nèi)，腦機接口走進患者生活？

NSR：現(xiàn)在有很多創(chuàng)新公司和投資人都關(guān)注腦機接口領(lǐng)域，您也創(chuàng)辦了自己的公司嗎？

賀斌：我還是比較專注在實驗室研究上的。我不敢說將來會怎樣，但是目前我還沒有開公司或者積極投身于腦機接口的商業(yè)化應(yīng)用。

NSR：您覺得埃隆·馬斯克Neuralink公司的技術(shù)有前景嗎？

賀斌：如果新聞報道準(zhǔn)確的話，我認為 Neuralink 在技術(shù)上是一個重大的突破，和目前高校實驗室中的技術(shù)相比，它的技術(shù)水平前進了一大步。在未來，這種技術(shù)是可能應(yīng)用在癲癇病人等患者身上的。對于這些必須接受手術(shù)治療的患者，Neuralink 的技術(shù)可能成為比現(xiàn)有技術(shù)更優(yōu)秀的選擇。但我還是認為，在普通大眾身上，有創(chuàng)的技術(shù)是很難推廣的，不管電極多細。無創(chuàng)的腦機接口技術(shù)會有更大應(yīng)用前景。

NSR：在腦機接口的實際應(yīng)用中，還會遇到一些倫理上的問題。

賀斌：沒錯，現(xiàn)在在美國已經(jīng)有很多關(guān)于腦機接口倫理問題的討論。一方面，如果要對人腦做神經(jīng)調(diào)控，一定會面臨隱私等問題。另一方面，所有針對大腦的有創(chuàng)技術(shù)都面臨倫理問題，如何評價它對人體造成的損害，在什么情況下才能將有創(chuàng)手段用于人體，都是需要進一步討論的。

NSR：您覺得在20年后，腦機接口會在哪些方面實際改變?nèi)藗兊纳睿?/p>

賀斌：在腦機接口領(lǐng)域，基本上每5年就會有一個比較大的進展。20年后，最主要的應(yīng)用應(yīng)該還是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。20年后，腦控的假肢、腦控的輪椅、腦控的機械手都可能已經(jīng)走進殘疾或癱瘓病人的生活。利用這些腦機接口設(shè)備，他們不依賴他人就可以自由行動、自己吃東西、自己控制房間中的電器等等。現(xiàn)在，這一類設(shè)備的原型機已經(jīng)在實驗室中出現(xiàn)，但是要把這些技術(shù)變得更加可靠、更加穩(wěn)定，能夠真正運用到實際生活中，還需要一段時間?？上驳氖?，目前許多科學(xué)家、政府和私人投資都很關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域，所以我認為在20年的時間內(nèi)，腦機接口技術(shù)進入日常生活的可能性還是很高的。

當(dāng)然，我們不可能用腦機接口去做所有的事情，正常人可以用腦控設(shè)備提高生活質(zhì)量，但是不需要用機械臂來吃飯。只有那些我們用其他方法不容易實現(xiàn)，但是可以通過腦機接口用意念控制來實現(xiàn)的事情，才是最適合腦機接口產(chǎn)品發(fā)展的方向。在腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，社會期望和實際產(chǎn)品效果之間會有一個磨合的過程，最后達到平衡。

NSR執(zhí)行主編蒲慕明參與了訪談。