世界首个「双边植入」脑机接口试验成功，瘫痪者可操控两只机械臂完成自主进食，接下来计划恢复行动能力

相信大家都有过这样的幻想，比如用大脑的意念来移动物体，亦或是在头上连接一根电线把资料从电脑传输进大脑……在很多科幻电影中更是不乏“意念操控”的情节，当人们都在无限向往、这些还只停留在幻想阶段的时候，科学家已经通过新型技术将这个“幻想”一步步推向了现实。

来自美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的研究团队，对一位瘫痪患者双边植入了脑机接口（BCI），并用脑机接口控制两只机械臂使用餐刀餐叉实现自主进食。借助脑机接口，人的大脑可以控制外部两只机械臂完成一系列复杂精细动作，这项试验的成功意味着今后能够通过脑机接口让瘫痪或患有运动障碍的人恢复行动能力。

目前，这项研究成果已于 6 月 28 日以“Shared Control of Bimanual Robotic Limbs With a Brain-Machine Interface for Self-Feeding”（用脑机接口共享控制两只机械臂实现自主进食）为题发表在 Frontiers in Neurobotics 期刊上。

▲图｜相关论文（来源：Frontiers in Neurobotics）

基于“双边植入”脑机接口，可共享控制两只机械臂

这项研究工作最早开始于三年前，彼时，该研究的试验者 Robert 已经瘫痪了三十余年，他因为一次事故中的脊髓损伤导致肩膀以下完全瘫痪，胳膊手腕也只剩下微弱的功能，从此再也无法像正常人一样生活。

2019 年，他同意加入约翰·霍普金斯大学发起的这项名为“假肢 RP 计划”研究项目，该项目的目标是让试验者能够自由控制外部设备同时还能够感知到接触肢体的物理刺激。

在美国马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯医院进行了长达 10 个小时的开颅手术后，研究团队成功地把 6 个微型电极阵列植入进 Robert 大脑的两侧，其中，3 个电极植入在运动皮层，3 个电极植入在感觉皮层，这些电极只有绿豆粒大小，它们通过非常细的电缆延伸到大脑外部并与计算机连接，以采集和分析大脑神经信号。

▲图｜基于脑机接口的双手机械臂控制系统（来源：Frontiers in Neurobotics）

植入的电极阵列可以绕过受损伤的脊髓神经来直接获取运动/感觉信号，借助电缆连接计算机以及机械臂，如此一来，大脑输出的神经信号就可以向机械臂发送指令，进而实现对机械臂的控制，相反的，电极阵列也能输出电脉冲并“刺激”负责运动/感觉的大脑皮层区域，进而形成触觉。

对于这项试验，研究人员表示，在此之前，类似的脑机接口研究主要从大脑的一侧采集信号，只能控制一只机械臂，而从大脑两侧采集信号并同时控制两只机械臂进行精细动作，是一次前所未有的尝试。这项研究是世界上首个大脑“双边植入”脑机接口试验，也意味着脑机接口能够实现更多、更复杂的任务控制。

“同时控制两只机械臂的脑机接口系统是一个挑战，因为这并不是简单的 1 加 1 等于 2，而是需要综合计算从大脑信号输出到双机械臂操作流程等的所有信息。尽管目前这项试验的成功只是第一步，但我们很高兴能够为瘫痪患者提供帮助，为他们带来能够恢复运动的设备。”该论文的通讯作者、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 Francesco Tenore 博士说。

▲图｜脑机接口操控机械臂的机制（来源：Nature）

通过刚植入的脑机接口系统无法直接进行两只机械臂的操作，而是需要长期的训练和学习，所以，在手术后很长的一段时间里，Robert 通过 APL 开发的脑机界面不断学习同时控制两只机械臂的方法。

伴随着这项试验还公布了一段视频。在演示视频中，Robert 用自己的“意念”控制着两个机械臂，左手用餐刀切下一小块蛋糕，右手用餐叉将蛋糕缓缓举起并送入口中。

▲图｜通过脑机接口进行自主进食（来源：APL）

整个动作流程耗时一分多钟，这对于正常人来说简直轻而易举，但是对于瘫痪患者却是一件不可能完成的事情。经过了 9 个多月的练习，他得以顺利地完成整套动作。“这种感觉非常棒，同时也让我非常有成就感，我希望未来还能用这套脑机接口装置做更多事情”。Robert 说道。

“关于这项试验接下来工作，第一，更广阔的应用范围，涵盖更多的日常生活场景；第二，更精准的触觉反馈，试验者在执行任务时能够获得额外的感官反馈，而不是仅仅依赖视觉判断自己是否成功。”Francesco Tenore 表示。

研究团队表示，下一步他们将基于此次的研究成果来帮助截肢人群通过脑机接口控制假肢运动，恢复他们的行动能力。

“我们最终的目标是让吃饭等各种日常活动变得更为容易，让机器人完成大部分执行工作，而人只负责思考细节，比如吃什么食物、切在哪里等，通过把脑机接口、机器人、人工智能相结合，我们可以让人们专注于任务的'决策权’部分。”该论文的第一作者、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 David Handelman 博士总结道。

侵入式脑机接口是未来趋势

上述这项试验，在患者大脑中植入的脑机接口设备是由 Blackrock Neurotech 公司开发的 NeuroPort 电极阵列。

据了解，NeuroPort 系统是一种多通道数据采集系统，能够对神经信号执行多种在线处理算法，可用于记录和监测脑电活动等，该系统的神经信号处理器能够为 16 个辅助模拟通道、128 个电极提供实时运算处理。值得一提的是，该装置已经获得了 FDA 的批准。

▲图｜NeuroPort 电极阵列（来源：公司官网）

Blackrock Neurotech 成立于 2008 年，总部位于犹他州盐湖城，专注于开发能够改善人类生活的侵入式脑机接口设备和技术平台。去年 5 月，该公司宣布完成了 1000 万美元的融资。前不久，该公司宣布收购空间计算软件公司 MindX，整合该公司的增强现实（AR）和脑机接口/人工智能（BCI/AI）技术。

Blackrock Neurotech 称，侵入式脑机接口目前被用于恢复瘫痪和神经系统疾病患者，其已被证明可以恢复运动、交流和触觉，从而提高患者的生活质量。该公司表示，预计在 2023 年初将会发布旗下首个商业脑机接口平台“MoveAgain”。

脑机接口（Brain Computer Interface，BCI），是一种能够实现大脑与外界设备信息交换的装置，是在人（或动物）的大脑与外部设备之间创建的直接连接通路，其能够获取大脑神经信号并进行解码和翻译，让外部设备替代肢体执行各种动作或功能。

其实，脑机接口的概念很早就诞生了，但一直到上世纪九十年代后才逐渐有阶段性成果出现。

1999 年，哈佛大学的研究人员开展对猫丘脑外侧膝状体神经元放电信号进行采集和分析；2008 年，匹兹堡大学试验猴子通过脑机接口控制机械臂给自己喂食，这也是首次基于动物的“意念操控”，而这在中国也有案例，2020 年，浙江大学对一名瘫痪患者实施国内首例“脑机接口”手术，通过“单边植入”脑机接口可以操控一只机械臂拿饮料、吃油条，以及握手等动作。

▲图｜浙江大学完成中国首例侵入式脑机接口手术（来源：浙江大学官网）

2020 年，马斯克的脑机接口公司 Neuralink 通过猪展示了可实际运作的脑机接口和自动植入手术设备；2021 年，该公司展示了一只猕猴植入脑机接口并经过训练后，可以用大脑控制光标在屏幕上移动。“ Neuralink 推出的第一款产品可能是帮助瘫痪患者用大脑操控手机，未来的产品形式可能是将大脑神经电信号转化为运动/感觉刺激，比如帮助瘫痪患者重新行走。”马斯克在社交平台表示。

现阶段，脑机接口主要分为侵入式和非侵入式。顾名思义，侵入式脑机接口需要进行开颅手术或者颅骨钻孔将电极阵列植入到大脑皮层中，这种方式获取的信号更保真，但可能会带来一些副作用，比如上文提到的这项试验，植入 Robert 大脑的 NeuroPort 电极阵列虽然能够在大脑中维持长达五年的时间，但在此期间也可能会出现感染或出血的风险。非侵入脑机接口，也称“脑电帽”，一般采用外部佩戴的方式，虽然不会对人体造成伤害，但获得的信号非常微弱，准确率和实时性都有限制。

大脑中的神经元通过电信号（频率范围在 2-20000Hz 之间）执行功能，这也是脑机接口所需要获取的信号。然而，电信号由大脑的神经元发出，经过组织、颅骨等传导到脑外，高频信号大幅衰减，因此在脑外只能采集到＜100Hz 的低频信号。

“所以，非侵入式的脑机接口设备（如脑电帽）只能执行一些初级功能，比如在安静的环境中监测睡眠质量等。在我看来，非侵入式脑机接口更多的应用仅仅是一种辅助手段，而侵入式脑机接口才是真正能给我们带来颠覆性变革的技术。比如，对于神经系统疾病的研究和治疗，甚至未来对于人体机能增强、记忆的读写等，只能通过侵入式脑机接口实现。” NeuraMatrix（宁矩科技）联合创始人白硕博士在先前的采访中告诉生辉。

参考资料：

1.https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2022.918001/full

2.https://cdn.jwplayer.com/players/GChd6rmd-PwbzrNuA.html

3.https://medicalxpress.com/news/2020-12-quadriplegic-patient-brain-advanced-prosthetic.html

4.https://www.jhuapl.edu/About/History

5.https://newatlas.com/medical/first-bilateral-brain-implant-two-arms/

6.https://blackrockneurotech.com/