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| 本文作者： 付靜 | 2020-09-08 17:52 |
「腦機(jī)接口」的腦洞，還能怎樣大開(kāi)？
前段時(shí)間，科技狂人 Elon Musk 現(xiàn)場(chǎng)展示了 Neuralink 最新進(jìn)展，和他的三只小豬一起沖上熱搜。有人說(shuō)這才是前沿科技，大呼一個(gè)全新時(shí)代要開(kāi)始了；也有人說(shuō)這便是霍金所說(shuō)的外星人，馬斯克也只是高配版賈躍亭罷了。
其實(shí)，在此起彼伏的褒貶聲中，小朋友們有很多問(wèn)號(hào)，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(shí)候又得取出來(lái)嗎？
可以看出，不少人將關(guān)注點(diǎn)放在腦機(jī)接口產(chǎn)品與大腦之間的關(guān)系是否穩(wěn)定這一問(wèn)題上，而這也是該領(lǐng)域研究人員一直以來(lái)想要做出的突破。
就在最近，一組美國(guó)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(guò)大腦活動(dòng)控制電腦光標(biāo)的過(guò)程可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)做到，無(wú)需大量的再訓(xùn)練。
UCSF 對(duì)此的描述是：
首個(gè)在癱瘓患者身上展示的“即插即用”腦機(jī)接口。
看來(lái)，腦機(jī)接口真能“即插即用”了。
這項(xiàng)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(jī)接口即插即用控制）。
借助腦機(jī)接口恢復(fù)癱瘓患者運(yùn)動(dòng)能力、還原神經(jīng)性疾病患者語(yǔ)音能力的報(bào)道已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮了，但阻礙腦機(jī)接口實(shí)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(jìn)入大腦的自然學(xué)習(xí)過(guò)程，就像一個(gè)人一生中每次騎自行車都要從頭學(xué)起。
為此，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)很明確：開(kāi)發(fā)出一種無(wú)需重新校準(zhǔn)而保持產(chǎn)品性能穩(wěn)定的腦機(jī)接口技術(shù)。
上圖展示的是一個(gè) 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(hào)，不論是手術(shù)環(huán)境還是術(shù)外環(huán)境均可使用。
一個(gè) 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(zhǎng)期、穩(wěn)定地記錄神經(jīng)活動(dòng)，并已被批準(zhǔn)用于癲癇患者的疾病發(fā)作監(jiān)測(cè)。
據(jù) UCSF 官方介紹，此前腦機(jī)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(diǎn)就在于：
隨著時(shí)間推移，信號(hào)往往會(huì)轉(zhuǎn)移或丟失。
電極穿透腦組織時(shí)，免疫系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行排異。
可以說(shuō)，ECoG 陣列雖然比傳統(tǒng)植入物的敏感度低，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性似乎彌補(bǔ)了這一缺陷。
研究中，團(tuán)隊(duì)向癱瘓患者大腦長(zhǎng)期引入了 128 慢性皮層腦電圖（ECoG）植入物，從而穩(wěn)定監(jiān)測(cè)信號(hào)。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)在此之前已經(jīng)獲得了在癱瘓患者腦中長(zhǎng)期植入 ECoG 陣列的調(diào)查性器械批準(zhǔn)，這一做法也是在測(cè)試 ECoG 陣列作為長(zhǎng)期、穩(wěn)定的腦機(jī)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(lái)控制屏幕上的光標(biāo)。
此外，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種腦機(jī)接口算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)將 ECoG 電極記錄的大腦活動(dòng)與用戶預(yù)期的光標(biāo)移動(dòng)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(shí)患者看著屏幕上移動(dòng)的光標(biāo)，想象脖子和手腕會(huì)做出的動(dòng)作。慢慢地，計(jì)算機(jī)算法會(huì)自我更新，光標(biāo)運(yùn)動(dòng)與由此產(chǎn)生的大腦活動(dòng)相匹配。值得一提的是，大腦信號(hào)和機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)算法之間持續(xù)相互作用，性能在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都并未降低。
據(jù) UCSF 介紹，在沒(méi)有再訓(xùn)練的 44 天里，腦機(jī)接口的性能沒(méi)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(zhǎng)期閉環(huán)解碼器能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，其中解碼器權(quán)重可在多天內(nèi)跨多個(gè)會(huì)話進(jìn)行，因此實(shí)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(zhǎng)期維度堆疊）還會(huì)有所增加。
隨著時(shí)間的推移，患者大腦能夠放大神經(jīng)活動(dòng)模式，從而有效地推動(dòng)人工接口通過(guò) ECoG 陣列消除效率低的信號(hào)，而這一過(guò)程正如大腦學(xué)習(xí)復(fù)雜任務(wù)的過(guò)程那樣。
不難看出，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)穩(wěn)定的信號(hào)監(jiān)測(cè)，讓大腦和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移建立了穩(wěn)定的“伙伴關(guān)系”。
因此，研究團(tuán)隊(duì)表示：
設(shè)計(jì)出一種不會(huì)被束縛手腳的技術(shù)，切實(shí)改善癱瘓患者的日常生活，是我們一直以來(lái)希望看到的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于 ECoG 的腦機(jī)接口可能正是這種技術(shù)的基礎(chǔ)。通過(guò)利用 ECoG 接口的穩(wěn)定性和神經(jīng)可塑性，我們?yōu)榭煽?、穩(wěn)定的腦機(jī)接口控制貢獻(xiàn)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(zhǎng)期學(xué)習(xí)模式，是以前從未在癱瘓患者身上嘗試過(guò)的。
就未來(lái)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(duì)于更復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)（包括假肢）的長(zhǎng)期控制。
上文提到，這項(xiàng)研究來(lái)自于美國(guó)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(yè)，有一句顯眼的標(biāo)語(yǔ)：
努力解決與人腦相關(guān)的問(wèn)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(mén)，同時(shí)關(guān)注病人護(hù)理和相關(guān)研究。
一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究生項(xiàng)目，這一項(xiàng)目是一個(gè)由 UCSF 17 個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)和臨床部門(mén)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(gè)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(xiàng)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(jiǎng)（PECASE）。
引用來(lái)源：
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0662-5
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