中外专家论道 | 人脑与机器渐行渐近，脑机接口黑科技照进现实

脑机接口技术会使人类退化吗？一旦脑机接口技术得到应用，人类的自由意志会被他人操纵吗？用人脑去研究人脑，要如何克服我们自带的主观性？脑机接口是否能释放人类无限的潜力，比如学会飞？

这些问题看起来不切实际、脑洞大开，实则不然。“10 年前科幻小说和电影里的场景，如今已通过科学技术照进现实。比如，我们已证实脑机接口技术可以重建人们的运动能力。”天桥脑科学研究院应用神经技术前沿实验室主任 Gerwin Schalk 教授的回答，给了脑科学界研究者们无限遐想的可能和探索未知的指引。

在刚刚过去的周末，由天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute, TCCI）主办的 “面向大众的神经技术” 国际论坛顺利举行。4 个多小时里，来自中国、美国、德国、荷兰和新加坡的 5 位国际知名科学家向公众介绍了最前沿的神经技术，并探讨了这些技术在临床、精神和心理等领域的应用进展。

据悉，近 52 万人次的在线观众参与到了这次会议中，提出了许多颇具启发性的问题，并与科学家们进行了精彩的云端互动。

溯源：人类解码大脑的梦想照进现实

来自天桥脑科学研究院应用神经技术前沿实验室（TCCI Frontier Lab）主任 Gerwin Schalk 教授首先介绍了 “面向大众的神经技术” 的科学发展史。早在上世纪 30 年代，自德国精神病学家 Hans Berger 发现脑电图后，科学家们就开始思考这些电波代表的意义。此后，人们做了多方面的尝试。比如，在脑电图的监测下，让受试者想象字母，拼写成句，甚至直接想象句子，让计算机解码，使患者直接通过 “意念” 与外界交流…… 这些在过去的“科幻”，如今正在逐步变为现实。

Gerwin Schalk 教授介绍通过应用神经技术解码人类语言的研究

Schalk 教授也谈到了神经技术的现状。目前，侵入性神经技术（如脑深部电极）在临床主要应用于帕金森病和癫痫的治疗，它们精确、有效，却也面临着监管体系、价格昂贵、原理有待阐明等问题。相比之下，非侵入性的技术（如多导睡眠监测系统等）更易获得批准，但精确性却欠佳。

“这就像在一个体育场外面放一个话筒，你很难听到场馆内的声音。但如果我们在这个体育场外面放满了话筒，就可以收集到更多的信息，这就是我们现在在做的事情。” Gerwin 教授形象地解释道。

另外，他指出，虽然百年来神经技术应用已得到了飞速发展，但真正适用于病患和大众的成功案例甚少，从实验室研究到最终应用之间还有很长的路要走，需要多学科的融合和共建，如硬件、软件、算法等等。Schalk 教授介绍了自己团队开发的脑机接口研究系统。传统的电刺激检测脑功能区域可能需要好几个小时，但他们开发的系统只需要数分钟。如今，这套系统已经在世界范围内得到了广泛应用，将在脑机接口研究中发挥更强大的作用，Schalk 教授也希望能在天桥脑科学研究院（TCCI）继续研究适合中国大规模人群脑机接口技术，例如针对汉语言的作用脑区作深入研究。

最后，他总结到，脑机接口技术将造福人类，在此领域的进一步深入探索能让我们以全新的维度认识大脑；但同时我们也面临很多困难，科学界必须做出持续的、系统性的努力，向着解决实际问题的方向出发，而不是仅仅停留在漂亮的概念与设计上。他认为，这个领域的进展日新月异，几年前看上去天方夜谭的事，或许如今看来稀松平常，所以，未来一定是激动人心的。

元脑：用美丽数学公式创造出人类大脑

“你也许很难想象无数美丽的数学公式能够解释人类大脑的运作机理。”在会中，清华大学生物医学工程系洪波教授向与会者介绍了 “元脑（Meta Brain）” 的新兴概念和他的团队在这个领域上所做的相关工作。

洪波教授介绍元脑的概念和元脑动态系统的构成

据洪波教授介绍，元脑的构想是利用脑机接口技术建立大脑的动态数字模型，来帮助提升理解大脑的功能运作，重现生理、病理过程，最终达到应用目的。在疾病状态下，生物学大脑会产生一系列变化，如果能建立一个与之相对应的数字大脑，还原疾病的动态发展演变过程，或许就能帮助我们更好地明白其机制、准确预判并开发出更精准的治疗方案。

当今时代给元脑研究带来了前所未有的机遇：神经影像学、脑电生理和计算机技术的发展，无一不在助阵元脑研究的深入。洪波教授介绍了及许多科学家在脑数字重建上做过的工作，如静态元脑、动态激发元脑，乃至于动态的癫痫大脑。在演讲最后，他提出了两个追问设想：在较近的未来，是否能够真正模拟出一个疾病数字大脑？而在较远的未来，是否我们每一个人都能拥有大脑的数字孪生体？

承接着教授的追问，天桥脑科学研究院苏格拉底实验室社区追问观察员耿海洋博士向洪教授提出了一个饶有兴味的问题：

脑机接口技术的应用是否将带来伦理学方面的风险？

对于这个问题，洪教授认为，在目前，脑机接口系统还处于研究阶段，所有的研究都必须通过受试者的知情同意，所以暂时伦理学风险是较小的；但是在未来，如果脑机接口技术得到了大规模应用，一旦人的大脑或意识，能被潜伏、探测甚至远程侵入，那将可能造成严重的社会担忧。或许在将来，我们应从基因编辑的伦理学风险中借鉴一些针对脑机接口技术应用的伦理处理方法。

脑机接口在临床：重建心灵的沟通桥梁

“目前全世界有 20% 的人经受着神经系统紊乱的影响，其中一半和心理健康相关，影响近 10 亿人。对此，目前主要的治疗方式是药物治疗和心理治疗，心理治疗师供不应求，患者往往需要治疗很长时间才能产生效果。对此，脑机接口有无穷潜力，可以在心理健康的治疗中扮演更多、更重要的角色。”

荷兰乌得勒支大学医学中心 Nick Ramsey 教授介绍了应用于临床的脑机接口技术。他首先向大家介绍了临床上的闭锁综合征。它可以发生在运动神经元病、卒中、肌萎缩侧索硬化症等疾病晚期，患者意识清醒，但全身只有眼皮可以活动，难以和外界交流也非常痛苦。为了提升这类患者的生存质量，Ramsey 教授的团队开展了多年研究：为闭锁综合征患者创建能帮助他们独立自主与外界交流的家用脑机接口设备。此前，他们已经为一位 58 岁的晚期闭锁综合征患者应用了这一系统，通过解码软件算法和患者反复练习，每分钟能够输入约两个字母，准确率接近 90%。相关病例于 2016 年发表在《新英格兰医学杂志》上。如今 6 年多过去了，这位患者依旧在使用这个设备，每日使用时间可达 20 小时，这已经成为了患者与外界沟通的唯一渠道。

Nick Ramsey 教授介绍从脑机接口技术中获益的闭锁综合征患者案例

此外，Ramsey 教授还介绍了其他几种能帮助患者与外界直接交流的技术研究进展，比如，通过检测人类发声器官（如咽喉、下颌、舌等的运动）来解码语言；通过脑机接口直接解码患者想要表达的语句，并呈现在屏幕上。演讲最后，他也提出了自己的展望：脑机接口技术能改变普通人的生活吗？健康人会愿意植入侵入性脑机接口吗？非侵入性脑机接口的发展空间到底有多大？相信在不久的未来，这些问题很快将会得到答案。

脑机接口 + 外骨骼：帮助运动障碍者重拾生活信心

“将脑机接口和神经调节技术相融合，不仅能帮助我们发现脑震荡、脑功能和行为之间的重要联系，也能极大改善使用者的运动功能，是一种非常有效的临床康复工具。”

柏林大学医学中心的 Surjo Soekadar 教授介绍了用于运动康复的脑机接口技术。据 Surjo 教授介绍，其团队研制的非侵入性脑机接口 + 外骨骼的搭配应用，可以通过解码大脑的运动指令并定向施加刺激，使严重脊髓损伤导致运动障碍的病人重拾一些功能，完成抓取、吃饭、喝水等一系列日常活动。令人振奋的是，他在演讲中向与会者展示了运动障碍病人们通过这项技术得以完成部分的生活自理工作，同时也维护了人的尊严。虽然目前侵入式脑机接口技术仍存在感染、出血、未经永久使用许可、需要手术及价格昂贵等诸多挑战，他认为，脑机接口 + 外骨骼在临床上将有广阔的应用前景，能够大幅改善患者的生活质量，今后也需要更多临床试验来研究。

Surjo 教授向与会者展示运动障碍者在接受脑机接口技术应用后恢复活动的案例

当谈到脑机接口技术的未来发展时，Surjo 教授认为目前的脑机接口还局限在感官反馈和大脑活动的闭环系统内，还暂时只能实现脑功能性和结构性的重建。那么，第二代脑机接口技术应将能做到把工作记忆、情感调节和运动 - 感觉互动整合到系统中去，达到适应性的脑功能刺激，实现对脑功能的稳定与提升（见下图）。他提出，探测精神活动方面的标记物是非常有挑战的，并且有着巨大的个体差异性，而脑电图频率范围很大，又容易受到很多干扰，所以使用脑电图来探测精神心理信号正是未来技术迭代升级的重要突破口。在这方面，他提出了一些解决办法，比如使用量子传感器来探测信号。他指出，在调节运动之外，他们团队的脑机接口技术研究正在朝着重建精神健康的方向进发。

Surjo 教授谈下一代脑机接口技术突破的展望

脑机接口 + 康复：塑造无限可能未来

新加坡南洋理工大学计算机科学与工程学院关存太教授介绍了用于功能增强或恢复的非侵入性脑机接口相关研究。

他谈到，脑机接口可用于功能恢复的理论基础是神经可塑性（Neuroplasticity）。大脑在受到损伤之后，能够持续不断地重塑神经元之间的连接，这被称为神经可塑性。而神经系统疾病的康复即是通过有目的地刺激大脑从而达到部分功能的恢复。在演讲中，关教授介绍了使用脑机接口技术对卒中患者进行有目的性的运动康复训练的方式，也提出除了运动康复以外，脑机接口甚至还可以用于帮助卒中后病人进行精神心理方面的康复。关教授及其团队的研究表明，基于深度学习等算法的新型非侵入脑机接口技术，可以使得卒中患者的理解准确率，从传统脑机接口技术的 68.6% 上升到近 90%。

关存太教授介绍基于深度学习等算法的新型非侵入脑机接口技术研究结果

另外，关教授团队也在研究脑机接口康复技术在儿童多动症、老年人认知功能下降、社交焦虑及广泛焦虑方面做了许多相关研究。研究显示，通过脑机接口技术，受试者能够在完成指定任务中得到实时反馈，从而通过多次量化的反馈与训练达到改善注意力，强化认知，缓解焦虑等目的。

长达 4 个多小时的探讨很快接近尾声，大家仍旧觉得意犹未尽。可以说，这是一次将 “脑机接口黑科技” 从前沿实验室里带出来、并充分展示在普罗大众面前的盛会，它给了我们一个望向未来的绝佳机会。脑机接口在未来还有怎样的前景？离真正使大规模的患者受益还有多远？又是否真的能“飞入寻常百姓家”？让我们拭目以待。

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苏格拉底实验室：
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