文／吳衛紅
　腦科學在歐美非常熱門，隨便走進各地的報亭書店裡，不經意間就可以看到幾種不同類型的腦科學雜誌。美國聚集了世界頂級的神經科學家，在腦科學領域取得的進展也最為廣泛、深入和前沿。
　作為腦科學的一個分支，腦機介面應用工程學、資訊學等手段解決腦的健康問題，是一門新興的交叉學科。前不久，《新英格蘭醫學雜誌》上發表了荷蘭科學家應用腦機介面，成功幫助一位漸凍人表達自己想法的研究成果，引起業界的廣泛關注。
　大陸清華大學醫學院副院長、生物醫學工程系洪波教授為我們解說腦機介面研究最新進展及面臨的挑戰。
解決臨床問題是關鍵
　大腦是人體最為複雜和精細的器官，大概也是宇宙間最為複雜的系統之一，擁有無窮的創造性思維和不可思議的強大功能。人們對大腦的好奇由來已久，而現代腦科學研究只是近一百年的事情，始於曾在1906年獲得過諾貝爾生理學或醫學獎的大腦基本組成單元—神經元的發現。
　據洪波教授介紹，腦機介面是最近十幾年發展非常快的腦科學技術。之所以被稱為技術，主要因為它是特定幫助病人或殘疾人交流的「工具」，其中最被人熟悉的例子是著名物理學家霍金。
　霍金患有肌萎縮側索硬化症（俗稱漸凍人），全身幾乎所有的肌肉都像被「凍」住一樣，無法動彈，只能通過眨眼睛與人交流。一直以來，他靠戴一副裝有紅外線攝像頭的眼鏡與人交流。面對他的電腦螢幕上，所有字母排列開來，當他需要某個字母時動一下面部肌肉，表示「yes」，攝像裝置將這個資訊傳遞給電腦，這個字母就被選中，以此類推，最終完成單詞乃至句子的拼寫。
　隨著病情的進展，總有一天控制眼球運動的肌肉將無法動彈，那時霍金只能通過思維活動表達yes或no。這就需要用上腦機介面技術。
　荷蘭科學家試驗的病人也是一位漸凍人，目前已經四肢全癱，氣管切開，持續正壓通氣。2015年10月科學家在她的大腦運動皮層控制左手的位置植入電極，這根電極可將電信號傳導到埋在胸部的信號放大器、發射器，並有體外信號接收器接收資訊。
　這位病人經過訓練，當看到螢幕上她想選擇的字母時，就會在腦子裡想像「抬左手」點擊，電極記錄器將該信號傳遞、轉換成對螢幕上該字母的選擇。
　據洪波教授介紹，荷蘭科學家演示了一個概念，就是借用具有記錄功能的腦起搏器，不是對腦皮層發送電刺激信號，而是即時收集腦皮層活動產生的電信號，從而實現全植入的腦機介面。
　在2013年，洪波課題組和解放軍總醫院神經外科就提出並實現了微創植入腦機介面，並和清華大學神經調控工程中心李路明教授團隊合作，嘗試借助植入的腦起搏器實現腦內信號採集和腦機介面。相比這位荷蘭病人1分鐘打兩個字的速度，他們已經做到10秒鐘打一個字，而且創傷更小，準確率更高。
　「目前腦機介面的研究熱點是如何創新性地解決長期臨床應用問題。相對於無創性腦機介面技術而言，微創地植入腦電記錄裝置，距離臨床應用或許更近些。」洪教授表示：「我對這項工作很有信心，預計在未來5年～10年，繼手術、藥物、生物治療等治療手段之後，腦起搏器、腦機介面、經顱電磁刺激等神經工程技術將發展成為新的一類治療與康復手段，國際上稱之為『電子藥物』。」
對腦的認識剛剛邁出第一步
　腦機介面研究目前主要的應用物件是運動障礙性疾病，比如神經漸凍症、重症肌無力、高位截癱病人。如果能夠做到植入創傷減小、實現微創、阿茲海默症、癲癇或其他神經系統疾病患者也會受益於該技術。如解讀阿茲海默症病人的腦信號，知道他是否處於失憶狀態；癲癇病人將要發作時，通過腦信號可以提前知道，防止其摔倒。但是，真正實現這些目標還面臨哪些難點呢？
　洪波教授認為，根本難點是腦功能的複雜性。大腦神經細胞形成巨大的網路，其連接規模遠遠超過互聯網。而我們對腦信號的解析沒有一個可靠的手段。採用有創方法，由於需要在腦內植入電極等感測器，目前用於實驗動物大腦的記錄，只在少數臨床神經外科手術中可以獲取人腦內部的電信號；採用無創腦電的方法，信息量又很有限。
　深層次難點是，我們對大腦的工作原理，特別是編碼資訊的規律還知之甚少。人腦是怎麼工作的，這個問題的複雜度類似物理學的終極問題」物質世界是怎麼運行的」。更具挑戰的是，人類只能通過自己的大腦來認識大腦的運行規律，也許這是個永遠無法解開的難題。
　如果把大腦比作萬里長征，那現在剛剛邁出「第一步」。宏觀研究方面，磁共振成像技術結合大資料統計分析可以繪出人腦網路圖譜，美國聖路易斯華盛頓大學和中國大陸中科院自動化所的科學家都成功繪製出包括數百個分區的腦網路組圖譜；微觀研究方面，通過收集記錄光、電等資訊分析神經細胞的活動，國際上的神經科學家們已經可以解析出動物大腦視覺、記憶、情緒等相關的神經回路。
　對於人腦資訊編碼的研究，我們目前得到的資訊粗糙而且有限。腦機介面實際上通過注意力方法一個個選擇字母，把問題簡化，用yes或no二選一或多目標選一，並非真正解讀出人腦的思維。可如果我們要想通過腦機介面來解讀思維，難度還很大，目前只能在磁共振掃描條件下能解讀一些很簡單的腦內資訊。
期待一個激動人心的未來
　洪波教授認為，腦機介面是一個未來感很強的技術，和外星探索一樣常常成為科幻電影的主題。
　在電影《阿凡達》中，人類的思維活動可以轉移給「替身」；在電影《超驗駭客》中，神經科學家威爾遇刺病危，他的妻子因為深愛他，通過腦機介面技術把威爾的「思想」整體傳到互聯網上；小說《三體》中提到，可以全息重現大腦活動，還能改寫人的思想。「其實在技術上，這些目標和火星移民一樣遙遠，但它們也會和火星移民一樣推動科技的進步，並造福人類。」
　過去的一年，腦機介面技術取得多項進展，引得媒體蜂擁而上，熱情高漲地解讀這項技術的完美性和超能力，仿佛臨床應用近在咫尺。甚至是把這個技術解讀成可以獲取人的想法，進而控制人的思想。洪波教授提醒說，實際上腦機介面研究還處在「嬰兒期」，需要神經生物學、資訊科學、材料科學、臨床醫學的跨學科合作才能取得實質性的突破，真正幫助那些重度殘疾的病人。在這個過程中，也許會產生出新技術幫助人們治療抑鬱、消除病理性恐懼和焦慮、改善老年癡呆病人的記憶障礙等。
　雖然面臨諸多挑戰，洪波教授仍堅定地表示，這是一個激動人心的方向。中國大陸的腦機介面技術研究與世界同時起步，與國際同行處在「並跑」位置，多學科交叉的研究隊伍已經形成，有信心首先研發出應用於臨床的腦機周邊設備和系統。