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意念控制机械臂!浙大二院张建民揭开脑机接口面纱

2020-01-22  西北望msm...
“脑机接口”照进现实 来自AI报道 10:54

Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic.(任何充分发展的科技,都与魔法无异。)

——Sir Arthur CHarles Clarke(阿瑟·C·克拉克,“太空漫游”四部曲作者)

曾经,将设备植入大脑以实现人类与计算机之间的快速通信还是《黑客帝国》等科幻电影中的情节,而最近拍摄于浙江大学第二附属医院的一则视频告诉观众,科幻已成现实。

在视频中,高位截瘫患者张先生通过脑电波控制机械臂,成功拿起可乐并喂自己喝下。“握住,很棒,向自己的嘴巴移动,再往回一些,好差不多,停!”在医生的鼓励和指导声中,张先生又操纵机械臂喂自己吃了油条,还与前来探视的浙大校长吴朝辉握了手。

这是浙大二院张建民教授团队与浙江大学求是高等研究院郑筱祥教授、王跃明教授团队合作完成的研究成果,名为“植入式脑机接口临床转化应用研究”,也是我国首例植入式脑机接口临床转化研究。

脑机接口,是一项研究如何用神经信号与外部机械直接交互的技术,也是最为尖端的技术之一。浙大二院张建民教授在百忙之中抽空接受了AI报道的采访,为我们揭开了这项“黑科技”神秘的面纱。

手术难、寻找受试者难、恢复训练也难!

喂水、喂食、握手,看似简单的三个动作,但要仅凭神经信号操作外部设备完成,却是难之又难。张建民称:“对于四肢完全瘫痪的人来说,这是不可能完成的任务,今天,通过脑机接口,他做到了!”

张建民还向AI报道介绍:“通过手术,我们植入了4mm*4mm的阵列电极,上面分布着100个电极针脚。通过电极采集大脑神经元电信号,再传递出来,我们才能够进行分析、解码,判断电信号传递的是什么意思。解码后,要去控制机械手,让患者的想法和机械手的运动合二为一,这需要很多算法才能实现。”

据了解,脑机接口临床转化课题由张建民教授带领的临床医生团队和郑筱祥教授、王跃明教授带领的信号处理和算法团队共同完成,多学科、多专业的交叉给研究带来了难点。

张建民认为,首先要面对的困难是如何精确地将电极植入指定的位置,即控制右侧上肢运动的运动神经皮层的第5层。尽管在首例人体植入前,团队已经在猕猴身上进行了大量的试验,但对人体进行的手术难度要高得多。“如果在动物大脑上造成了一点损伤,还没什么问题;而在人身上,你必须要做到万无一失。”张建民以肯定的语气说道,“我们要根据根据各种方法,包括导航,包括影像融合,来确定位置,然后再开颅,让电极植入的位置恰到好处。”

不仅最终要到达的位置要万无一失,电极移动的路线也要尽量最短,才能避免对大脑皮层的损伤。若损伤过多,手术后炎症细胞可能包裹穿刺电极,导致信号缺失。“为了保证最小移动,我们用到了手术机器人。电极不能扎的太深,不能扎得太浅,不可能一次不行我拿出来重新来过,要一步到位。”

那么,如此精密的手术人类是否能够胜任?机器人的应用是必要的吗?对此张建民答道:“机器人的定位精确度达到0.1毫米级,人类医生不可能像机器一样毫无误差。”

据悉,这次手术是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成的电极植入手术。

另一大难点是寻找愿意接受实验的患者。由于植入式脑机接口需要开颅等原因,大众对此的态度往往较为保守,因此找到愿意接受手术的志愿者耗费了大量时间。

张建民回忆道:“第一次找到患者确实很难。这位患者有运动的需求,而我们可以给他解决功能重建的问题。患者先是看到了我们所做的工作,经过沟通他表示愿意作为志愿者接受我们的临床研究。我们前期已有大量动物实验的经验积累,加上我们对脑电信号的提取、解码工作,两者结合起来,可以确定已经具备在人身上植入脑机接口的基础。当然,这位患者接受手术这也是因为他有为科学奉献的精神,非常不容易。”

事实证明,首例手术十分成功,手术后,患者顺利进入了恢复训练期。而训练依然是困难重重。

“我们在19年8月份就为患者完成了电极植入手术,术后经过四个多月的训练,患者才完成了喝水、进食、握手三个动作。”

由于患者已有72岁,为世界上接受脑机接口手术实现肢体动作功能重建的最高龄患者,因此容易感到疲劳,难以长时间训练。据了解,患者每天在结束午休后开始训练,通常一天只有20分钟左右的实验时间。另外,老年人的脑电信号质量和稳定性相对较弱,因此训练难度更增。

多年探索,重新定义失能者

在脑机接口临床转化的研究路上,浙大团队已经走了很久。

该项目是浙江大学“双脑计划”的一项研究。“双脑计划”即脑科学与人工智能会聚研究计划,是浙江大学“创新2030计划”中首个启动的专项计划,旨在发挥多学科综合优势,推进脑科学与人工智能研究会聚融合,带动更多的自然科学和人文社科学科创新发展,重点在于推进脑科学与意识、下一代人工智能、脑机交叉融合等前沿方向的研究。

2012年,浙大脑机接口团队宣布,完成国内首例猴脑电信号控制外部机械臂运动。名为“建辉”的猴子大脑皮层被植入两个与200多个神经元相连接的芯片,脑部信号被计算机截获并破译后,可以实现抓、勾、握、捏四种动作。

2014年,浙大脑机接口团队完成国内首例基于ECoG 信号的人脑脑机接口模式下,意念控制机械手“剪刀、石头、布”精细动作。

2020年1月,浙大脑机接口团队终于完成了手术对象由猴到人的飞跃,张建民表示,在同类领域,浙大已跻身国际先进水平。

脑机接口技术可以被粗略地分为分为植入式非植入式两大类。其中,植入式电极更加精确,可以通过读取脑电信号来向外部设备发出复杂的命令。非植入式电极也就是头皮贴片电极,它更安全,更有可能被大众接受。本次实验采用的就是植入式电极,这与三维运动的复杂程度有关。在国内,更多研究机构的研究方向偏向于非植入式。

谈及脑机接口对人们生活带来的影响,张建民反问:“你觉得一个人的手,最基本的功能是什么?”

笔者猜测:“首先要能抓、握,维持自己的生存?”

张建民肯定道:“是的,所以我们从人体基本的需求出发,设计了喝可乐、吃油条、握手这三个动作。”

接受本次手术的患者是高位截瘫,手、脚均完全失去了功能。而浙大脑机接口团队将研究重点放在了上肢。张建民解释:“一方面,手在维持人的生存上,功能更加关键。另一方面,让脚站起来更加困难。下肢运动不是光有力气、光能做几个动作就够了,它还要维持平衡。要实现平衡,实际上是非常困难的。”

浙大团队的实践也指出了脑机接口技术目前最大的应用价值,即帮助失能者实现基本需求。海内外的研究绝大多数定位于帮助残障人士、老年人重建失去的感知能力,重获肢体控制能力等。另外,也有部分研究机构着眼于“人类增强”,即将芯片植入大脑,以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接。还有部分前景可期的脑机接口应用场景,如娱乐、教育、智能家居、军事等。

值得注意的是,我国脑机接口研究水平与世界顶尖水平依然有明显差距。近十年内,美国已做过几十例人体手术。如哈佛大学、布朗大学、波士顿大学、哥伦比亚大学、杜克大学、卡内基梅隆大学等院校均在此领域取得过创造性的科技成果。

与此同时,脑机接口技术探索还常常伴随着外界的质疑声。2019年,号称能检测学生学习注意力是否集中的BrainCo脑机接口头环就引起了舆论的集体批判。实际上,BrainCo头环并不能实现其宣称的功能,但媒体普遍关注的是它在道德上是否合适,而非技术上是否可能实现,大众的反感情绪可见一斑。无独有偶,马斯克旗下脑机接口公司Neuralink的实验目前还停留在用老鼠、猴子做实验的阶段,也受到了舆论广泛的质疑。可见,在世界范围内,脑机接口技术在道德上面临的争议都是相关从业者不可不面对的一大难题。

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