腦機(jī)接口，幫人開口（腦機(jī)接口幫人開口）

“你好，安?！?/span>

“很高興見到你?！?/span>

這段對話發(fā)生在美國加州大學(xué)舊金山分校研究團(tuán)隊(duì)成員，與因癱瘓無法清晰發(fā)聲的患者安之間。安是加州大學(xué)舊金山分校一項(xiàng)研究的志愿者，今年47歲。2005年，她因發(fā)生中風(fēng)導(dǎo)致癱瘓，繼而無法清晰說話。

8月23日，《自然》雜志發(fā)布的兩篇研究表明，兩名因嚴(yán)重癱瘓而無法說話的患者通過采用侵入式腦機(jī)接口（BCI），能以前所未有的準(zhǔn)確性和語速與他人進(jìn)行交流。兩項(xiàng)研究相互獨(dú)立，分別來自美國斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)舊金山分校團(tuán)隊(duì)。

兩項(xiàng)研究的植入物根據(jù)大腦活動(dòng)，將神經(jīng)信號(hào)翻譯成文本或單詞。兩項(xiàng)研究的結(jié)果大致相似?；颊叩钠骄Z速約為60～80個(gè)單詞/分鐘，幾乎是正常對話速度的一半，但比之前腦機(jī)接口成果的速度至少快三倍。

安與研究團(tuán)隊(duì)一起訓(xùn)練人工智能算法，使其能夠識(shí)別與音素相關(guān)的大腦信號(hào)。圖/加州大學(xué)

“這兩項(xiàng)研究表明，腦機(jī)接口可以使癱瘓患者恢復(fù)準(zhǔn)確、快速的溝通?！?月24日，斯坦福大學(xué)弗蘭克·威利特在其個(gè)人推特賬號(hào)上寫道。他是前述斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究的主要作者。

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)心理健康和神經(jīng)科學(xué)學(xué)院的助理教授克里斯蒂安·赫夫沒有參與這兩項(xiàng)研究，他主要關(guān)注從顱內(nèi)數(shù)據(jù)解碼語音過程，研究侵入式腦機(jī)接口。赫夫告訴《中國新聞周刊》，這兩項(xiàng)研究的引人注目之處在于，兩項(xiàng)研究中的電極都是專門針對語音腦機(jī)接口植入的，且兩項(xiàng)研究的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于之前取得的任何成果，并達(dá)到了可供患者實(shí)際使用的解碼性能。

接近正常說話語速

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)各自與一名志愿者合作，斯坦福大學(xué)研究的志愿者是現(xiàn)年68歲的帕特·貝內(nèi)特。2012年，她被診斷出患有肌萎縮側(cè)索硬化癥，即漸凍癥（ALS）。ALS是一種神經(jīng)退行性疾病，會(huì)攻擊控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元，導(dǎo)致身體虛弱，最終癱瘓。

據(jù)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院8月23日報(bào)道，去年3月29日，貝內(nèi)特大腦表面的兩個(gè)不同區(qū)域被分別放置了一個(gè)微型傳感器，這兩個(gè)區(qū)域都與語言產(chǎn)生有關(guān)。這些傳感器可以與解碼軟件結(jié)合，將想要發(fā)音的大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為屏幕上的文字。術(shù)后約1個(gè)月，斯坦福大學(xué)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開始了每周兩次的研究會(huì)議，以訓(xùn)練用來解碼腦信號(hào)的軟件。4個(gè)月后，貝內(nèi)特嘗試表達(dá)的內(nèi)容以62個(gè)單詞/分鐘的速度在電腦屏幕上被轉(zhuǎn)換成單詞。正常人類的自然對話速度約為160個(gè)單詞/分鐘。該研究中，使用12.5萬個(gè)詞匯時(shí)，解碼錯(cuò)誤率為23.8％，50個(gè)詞匯的錯(cuò)誤率為9.1％。

兩項(xiàng)研究在植入物的設(shè)計(jì)上存在著顯著差異。斯坦福大學(xué)的研究使用皮質(zhì)內(nèi)微陣列，即猶他陣列，另一項(xiàng)研究使用體積更大的ECoG電極（皮層腦電極）。21世紀(jì)初，ECoG電極被用于接受耐藥性癲癇手術(shù)的患者，以記錄患者與語言、運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦信號(hào)。猶他陣列由硅制成，用于腦皮層內(nèi)植入，已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的商業(yè)許可。

斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的腦機(jī)接口裝置，可以通過插入大腦的細(xì)電極陣列收集單個(gè)細(xì)胞的神經(jīng)活動(dòng)，并訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼病人想說的內(nèi)容。植入貝內(nèi)特大腦皮層的傳感器是微小硅電極的方形陣列。每個(gè)陣列包含64個(gè)電極，共128個(gè)微電極。微電極彼此間隔的距離約為信用卡厚度的一半。植入的陣列最終被連接到計(jì)算機(jī)上。

加州大學(xué)舊金山分校團(tuán)隊(duì)在患者大腦皮層表面放置了一個(gè)像紙一樣薄的矩形陣列，共包括253個(gè)電極，放置在與口面部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的皮層區(qū)域上。每個(gè)電極記錄了成千上萬個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。一根電纜插入固定在安頭部的端口，將電極連接到一組計(jì)算機(jī)。華裔科學(xué)家、加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)外科主任張復(fù)倫是該研究的通訊作者，十多年來，他一直致力于腦機(jī)接口技術(shù)的研究。

張復(fù)倫團(tuán)隊(duì)放置在患者大腦表面的電極片，覆蓋了對語言至關(guān)重要的區(qū)域。圖/加州大學(xué)

音素是形成口語的語音子單位。加州大學(xué)舊金山分校團(tuán)隊(duì)的研究人員并沒有訓(xùn)練人工智能識(shí)別整個(gè)單詞，而是創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，可以從稱為音素的較小組件中解碼內(nèi)容。研究中，安與團(tuán)隊(duì)一起訓(xùn)練系統(tǒng)中的人工智能算法，識(shí)別與音素相關(guān)的大腦信號(hào)。訓(xùn)練內(nèi)容中涉及由1024個(gè)單詞構(gòu)成的不同短語，直到計(jì)算機(jī)識(shí)別出與所有基本語音相關(guān)的大腦活動(dòng)模式。

該團(tuán)隊(duì)還借助軟件對安的頭像進(jìn)行了動(dòng)畫處理，該軟件由一家制作人工智能驅(qū)動(dòng)的面部動(dòng)畫的公司開發(fā)。研究人員創(chuàng)建了定制的機(jī)器學(xué)習(xí)流程，使該軟件能夠與安試圖說話時(shí)大腦發(fā)出的信號(hào)相結(jié)合，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成其臉部的動(dòng)作。比如說，下巴張開和閉合、嘴唇突出，以及幸福、悲傷、驚訝等面部動(dòng)作。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種合成語音的算法，通過截取安在婚禮上的演講錄音，再進(jìn)行個(gè)性化處理，使其“發(fā)聲”。

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科副主任、中國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)腦機(jī)接口與交互分會(huì)副主任委員吳勁松告訴《中國新聞周刊》，在腦機(jī)接口領(lǐng)域，這兩項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)近年來一直齊頭并進(jìn)，這次同時(shí)發(fā)布的研究相當(dāng)于對其此前一系列工作成果的階段性總結(jié)。在吳勁松看來，這兩篇研究最大的飛躍在于，解碼速度比以前快了不少，還增加了人工智能虛擬人物形象，提高整個(gè)腦機(jī)接口的成熟度。

復(fù)旦大學(xué)光電研究院研究員宋恩名告訴《中國新聞周刊》，這兩項(xiàng)研究都屬于侵入式的腦機(jī)接口，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)的屬于全侵入式，加州大學(xué)舊金山分校團(tuán)隊(duì)屬于半侵入式。兩者截取的大腦信號(hào)類型和信號(hào)密度不一樣。宋恩名表示，這兩項(xiàng)研究前，腦機(jī)接口大多是“頭盔式”的設(shè)備，這類腦機(jī)接口不容易捕捉到大腦電信號(hào)，因?yàn)槿说娘B骨就相當(dāng)于“信號(hào)屏蔽網(wǎng)”，很多高級信號(hào)傳不出來，也很難區(qū)分、篩選有用的信號(hào)。相較而言，侵入式的腦機(jī)接口，能采集更高質(zhì)量的腦電信號(hào)，有助于后續(xù)解碼、信號(hào)處理。

2021年2月，吳勁松曾與張復(fù)倫在《自然通訊》上合發(fā)過一篇一項(xiàng)跨語言的比較研究。吳勁松分析說，大腦的語言中樞涉及區(qū)域相對廣泛，很難定位于某個(gè)區(qū)域，因此，電極覆蓋范圍應(yīng)更廣泛。此次研究中，張復(fù)倫團(tuán)隊(duì)放置在患者大腦表層的電極片，覆蓋整個(gè)大腦中央葉的腹側(cè)部，還包括顳上回及顳橫回，即聽覺中樞，基本上覆蓋了語言的輸出、聽覺、理解區(qū)域，使得采集的信號(hào)更豐富。

在吳勁松看來，相對有創(chuàng)的侵入式腦機(jī)接口，無創(chuàng)方式提取到的腦電信號(hào)太粗略，該信號(hào)通過顱骨、頭皮、頭發(fā)等部位時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列衰減，精準(zhǔn)度低。如果醫(yī)生為了臨床教學(xué)，或患者進(jìn)行術(shù)后康復(fù)，應(yīng)考慮無創(chuàng)類型的腦機(jī)接口。對于傳統(tǒng)康復(fù)手段無法恢復(fù)的神經(jīng)功能障礙，比如說偏癱、失明、因腦干損傷或脊髓側(cè)索硬化等問題導(dǎo)致的嚴(yán)重失語，應(yīng)考慮采用有創(chuàng)的侵入式腦機(jī)接口。

距離大規(guī)模應(yīng)用仍有距離

吳勁松團(tuán)隊(duì)曾做過一項(xiàng)調(diào)研，現(xiàn)階段，中國因?yàn)楦鞣N神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的失語癥人群數(shù)量，每年新增近100萬左右，包括漸凍癥患者，腦卒中、腦腫瘤患者，以及車禍導(dǎo)致的高位截癱病人、腦干損傷導(dǎo)致的失語人群等。他根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)推測，國內(nèi)無法通過傳統(tǒng)康復(fù)手段恢復(fù)的失語人群，共約800萬人?！斑@些病人未來可能是腦機(jī)接口技術(shù)的受益人群?！眳莿潘烧f。

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科主任醫(yī)師郁金泰向《中國新聞周刊》表示，他在臨床上遇到的失語病人非常多。他注意到，近年來，國外關(guān)于腦機(jī)接口的文章越來越多，但患者的樣本量不大，大多是個(gè)體病例。“從個(gè)體病例跨度到大規(guī)模臨床應(yīng)用還需要時(shí)間。”他說。

在吳勁松看來，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究只涉及個(gè)體病例。一方面，因?yàn)檠芯康臅r(shí)間、人力成本都很高；另一方面，目前，F(xiàn)DA僅批準(zhǔn)腦機(jī)接口用于探索性的個(gè)體病例數(shù)據(jù)的采集?！斑@兩項(xiàng)研究更接近于可商業(yè)化推廣的原型腦機(jī)接口模式?！眳莿潘杀硎?。

使用電極讀取人的大腦信號(hào)實(shí)驗(yàn)，最早可追溯至上世紀(jì)90年代末。8月23日，與兩項(xiàng)研究同步，《自然》雜志還發(fā)布了一篇社論。文章指出，迄今為止，全球約有50名不同程度的癱瘓患者被植入腦機(jī)接口，以實(shí)現(xiàn)交流。

張復(fù)倫團(tuán)隊(duì)的研究寫道，“局限性是結(jié)果僅來自一位參與者。下一步會(huì)在其他不同程度癱瘓的患者身上驗(yàn)證這些解碼方法，例如完全閉鎖的ALS患者?！?/span>

安的大腦表面植入了一個(gè)薄薄的矩形電極，以接收其試圖說話時(shí)發(fā)出的信號(hào)。圖/加州大學(xué)

前述《自然》雜志的社論指出，當(dāng)這類產(chǎn)品被更廣泛使用時(shí)，腦機(jī)接口技術(shù)面臨一些挑戰(zhàn)。首先，兩名參與者仍可以在一定程度上移動(dòng)他們的面部肌肉并發(fā)出微弱的聲音，因此還要更多研究證明，其對沒有任何運(yùn)動(dòng)能力的患者療效如何，比如晚期漸凍癥患者。其次，兩項(xiàng)研究中的電極設(shè)備，必須通過一個(gè)穿透皮膚的“底座”連接到外部放大器，未來還需要開發(fā)完全可植入的無線腦機(jī)接口，達(dá)到或超越目前研究中的性能。此外，這些系統(tǒng)對于護(hù)理人員來說仍太復(fù)雜，更無法在沒有大量培訓(xùn)和維護(hù)的情況下，在家庭環(huán)境中操作。

宋恩名表示，目前腦機(jī)接口電極陣列應(yīng)用較廣的仍然是猶他電極陣列，該技術(shù)采用剛性探針陣列，植入手術(shù)存在炎癥、疤痕和感染的風(fēng)險(xiǎn)。隨著植入時(shí)間增加，破損傷口處結(jié)痂后，容易形成絕緣體，影響電極導(dǎo)電性能。同時(shí)，如果設(shè)備失效，還可能造成漏電等現(xiàn)象。“這是腦機(jī)接口目前有待突破的技術(shù)瓶頸。”吳勁松表示，國外有研究證明，在大腦皮層內(nèi)長期植入電極后，會(huì)造成植入?yún)^(qū)域局部疤痕的形成，降低神經(jīng)信號(hào)的提取效率。

宋恩名認(rèn)為，對于柔性腦機(jī)接口產(chǎn)品而言，迫切需要長期穩(wěn)定的封裝策略。柔性電極同樣面臨著力學(xué)穩(wěn)定性不高的瓶頸。大腦是密閉空間，如果植入的電極發(fā)生錯(cuò)位，就無法獲得準(zhǔn)確的信號(hào)。

68歲的貝內(nèi)特訓(xùn)練腦機(jī)接口來識(shí)別她想說的單詞和短語。圖/斯坦福大學(xué)

赫夫表示，據(jù)他了解，兩項(xiàng)研究中的電極已植入患者大腦中幾年時(shí)間，似乎仍然可以接收信號(hào)?！皞鹘y(tǒng)上，人們認(rèn)為ECoG電極更適合長期植入，但最近的一篇文章表明，植入10年以上的微陣列也能提供良好的信號(hào)?！彼f。

“很明顯，當(dāng)電極被植入病人體內(nèi)時(shí)，人們必須非常小心所有的倫理問題，尤其是當(dāng)插入位置是大腦時(shí)。這兩項(xiàng)研究在告知患者風(fēng)險(xiǎn)方面都非常正確，沒有作出虛假的承諾?！焙辗蛳嘈?，當(dāng)涉及到商業(yè)層面時(shí)，倫理問題就會(huì)被放大。他也拋出了疑問，比如一家銷售植入物的公司，未來破產(chǎn)了怎么辦？2013年，腦機(jī)接口制造商N(yùn)euroVista由于無法獲得新的資金而倒閉，而參與其設(shè)備臨床試驗(yàn)的癲癇患者不得不移除植入物。

據(jù)美國加州大學(xué)8月25日發(fā)布的新聞稿，張復(fù)倫團(tuán)隊(duì)重要的下一步是創(chuàng)建無線版本的腦機(jī)接口，不需要物理連接。赫夫認(rèn)為，無線腦機(jī)接口在商業(yè)應(yīng)用中是絕對必要的。

吳勁松表示，隨著這些設(shè)備變得更小、更安全、成本更低，它們的商業(yè)化前景一定會(huì)更好。他分析說，未來3～5年，會(huì)是全球腦機(jī)接口的發(fā)展風(fēng)口，一些成熟的產(chǎn)品也會(huì)嶄露頭角。張復(fù)倫團(tuán)隊(duì)已經(jīng)公布了復(fù)制該研究主要發(fā)現(xiàn)的相關(guān)代碼，一旦步入商業(yè)化軌道，推向市場的腳步不會(huì)很慢，當(dāng)前已經(jīng)有很多資本在跟投。

據(jù)報(bào)道，國內(nèi)已有多家創(chuàng)投機(jī)構(gòu)在布局腦機(jī)接口賽道。紅杉中國、鼎暉投資、藍(lán)馳創(chuàng)投等創(chuàng)投機(jī)構(gòu)近年均在腦機(jī)接口賽道出手投資，行業(yè)中也涌現(xiàn)出腦虎科技、臻泰智能等熱門公司。

在吳勁松看來，腦機(jī)接口硬件方面其實(shí)國內(nèi)不乏亮點(diǎn)進(jìn)展，例如柔性高密度皮層電極以及分辨率可達(dá)單神經(jīng)元的皮層內(nèi)植入電極，和國外差距沒那么大。然而，在漢語言神經(jīng)機(jī)制的理論研究方面，比如涉及到神經(jīng)電活動(dòng)的編碼機(jī)制、解碼算法等，和國外差距較大。

吳勁松分析說，腦機(jī)接口的目的不是把人打造成“科學(xué)怪物”，而是希望通過科技手段幫人類應(yīng)對疑難雜癥。相對于視覺和運(yùn)動(dòng)類型的腦機(jī)接口，語言腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)、研發(fā)難度更大。一方面，針對不同音素、字詞、句法、語義，大腦會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)電活動(dòng)，如何將這些電信號(hào)準(zhǔn)確編碼出來，難度不小；另一方面，目前，在語言神經(jīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究上，仍有很多空白的地方。“語言是思維的媒介。對于語言腦機(jī)接口的研究，不應(yīng)僅僅停留在語言功能的康復(fù)上，更應(yīng)該通過語言，來理解人類的思維、意識(shí)本質(zhì)?！彼麖?qiáng)調(diào)。

發(fā)于2023.9.4總第1107期《中國新聞周刊》雜志

雜志標(biāo)題：腦機(jī)接口讓失語者“說話”

記者：牛荷