脑机接口在艰难探索中 人机交互由人至机再由机至人

        脑机接口技术可以 修复大脑 问题了吗？  先从抑郁治疗开始

        非侵入式的 磁刺激 技术正在有望成为 抑郁症 的常规治疗方法，2月13日的 《 美国科学院院报 》 （ PNAS ） 一篇文章的标题振奋人心 —— “ 脑刺激 正在从最后手段走向 一线 疗法 ”。

        更值得注意的是，在这种治疗方法中，通过标配的 神经影像学 技术，我们可以看到 大脑 在刺激下的反应，以及人类的身体在 刺激 带来的 大脑反应 下产生的行为 —— 这为这种治疗增添了 科幻色彩，它看上去几乎像是： 我们在利用 体外的 方式与 大脑进行 通信。这究竟是一项什么样的技术？

        让我们从头开始。这一系列技术的开端，是在 1938 年。那一年，几名 意大利医生 绑住一名 39岁 男子，在他的头上贴了 电极，然后通上 110 伏 电压。

        这听起来像是个恐怖故事。但事实上，这是那个时代新探索出的疗法： 电击 成功诱发 癫痫，从而缓解了这位男子的 精神分裂症状。十次 治疗后，这位病人已经基本可以 回归 正常生活了。

        除了 电刺激，人们也开始研究 磁场 对大脑的 刺激。 1985年，谢菲尔德大学 的 安东尼 · 巴克尔 （ Anthony Barker ） 制作了一个能产生 脉冲磁场 的 线圈，把它固定在 受试者 头顶上。大脑 的顶部是运动皮层所在区域，而 受试者 的四肢出现了明显的 抽搐 —— 他的大脑受到了磁场影响。

        在这样粗糙的实验基础上，电磁刺激 治疗技术发展起来了。今天的 电磁刺激 技术，不仅可以缓解 帕金森病、震颤 和 癫痫 这样的神经系统疾病，也正在用于治疗 强迫症、抑郁症，甚至帮助人们 戒烟。而且，随着这类技术的发展，也许“ 脑机接口 ” 这个概念也会随之拓展 —— 从早期以 大脑为 主核心 的大脑指挥万物，逐渐渗透 电磁刺激 指挥大脑的去中心模式。

      “ 脑起搏器 ”

        20世纪 70年代，脑深部 电刺激 （ DBS，Deep Brain Stimulation ） 技术诞生。这种技术需要打开病患的 颅骨，在 脑内核团 或 特定脑区 植入电极，然后通过 脉冲电流 的刺激，调控相关 核团 或 脑区 的功能，来改善症状。 1987年，DBS 技术 开始用于 运动障碍性疾病 的治疗； 1998年，DBS 在中国首次使用。现在它有了个形象的名字，叫“ 脑起搏器 ”。

        在进入 21 世纪后，研究者开始尝试将“ 脑起搏器 ” 用在 精神疾病 的缓解和治疗中。21 世纪初，加拿大的研究人员通过 影像学 研究，找到了 脑 中产生情绪的 关键 通道。 2023年，上海瑞金医院的“ 脑机接口 治疗难治性 抑郁症 ” 临床研究小组开展了临床试验，为多位难治性抑郁症 患者 脑中植入 电极，以 体外开关 控制电流刺激的 电压、脉宽 和 频率，从而调整患者的 情绪。

        用具有 脑机接口功能 的 脑起搏器，多靶点 联合 刺激 治疗抑郁症，这是世界首次。

        之所以 脑起搏器 可以调整 情绪、改善 抑郁，是因为 大脑 可以看成是一个 电路系统 —— 依靠各种 神经递质 和 受体 来实现。而无论是 帕金森病、癫痫 还是 抑郁，都可以在部分程度上认为和 神经细胞间的 电流 活动有关。

        所以，如果在 大脑中 找到准确的位置，找到 刺激效果 最好的 电流强度 和 频率，就可以在一定程度上改善 病患 的症状。而更进一步地，研究人员已经发现，脑起搏器 会激发 大脑 本身的可塑性，让大脑变得更加 健康。

        在理论上讲起来似乎很容易，但实际上这个问题会复杂得多。每位 抑郁症患者 的发病原因和症状可能都不同，对应的 刺激位置、电压、频率 等参数的调整就 十分关键。每个人对 电流刺激 的反应都不太一样，并不是 每位患者 的症状都能有明显改善 —— 在这一点上，和其他 抑郁症 干预手段相似。

        但技术是会持续发展的。上海市精神卫生中心 强迫症诊治中心 已经开始使用类似的 技术 治疗强迫症，同样取得了不错的效果。国内也有一些创业公司在开发 类似的 产品，例如有一种 脑起搏器 产品可以实时监测 癫痫患者 的 脑电模式，一旦识别到 癫痫发作，就立刻产生 电刺激，抑制 癫痫 产生的异常 电流。

        于是 脑机接口 就成了关键一环 —— 把大脑的 神经网络 和 外部设备 连接起来，通过调整 参数，调控体内 电极，相对准确地 干预 大脑。

        破坏性不那么强的方法

        不过，在 颅骨 上开洞、在 胸前 埋一块电路板和电池，也并非必选项。

       在上世纪 90 年代人们就已经发现，磁场诱导 出的电流可以沿着 大脑皮质 表面的 神经电路 路径深入大脑，并带来变化。这一发现，带来了“ 经颅磁刺激 ”技术。

        顾名思义，经颅磁刺激 （ TMS，Transcranial Magnetic Stimulation ） 技术 是在 颅骨外 施加磁场，来治疗或改善特定问题。这种技术在 2008 年 正式进入临床使用，用于治疗那些至少尝试过一种 抗抑郁药物、但 未能缓解症状 的成年抑郁症患者。现在，经颅磁刺激技术 被认为是一种 有效 且 安全的 成人重度抑郁障碍 治疗方法，再加上 精确的 大脑成像技术，抑郁症患者 的缓解率在实验中接近 80%。

        对于这种技术，持续的 硬件改进 和 新的磁场 应用方式极为重要： 施加到 线圈上 的 脉冲形状、幅度、频率、持续时间 以及其他 参数，经常决定了 患者 是否有反应。除此之外，精确 定位技术 也为 TMS 提供了重要帮助。

        2021年，斯坦福大学 的研究者发现 增加 脉冲剂量、结合 个性化 定位，会提高 TMS 的 速度 和 效果； 同时使用 功能性磁共振成像，则可以保证 线圈 的精确定位。第二年，美国食品与药物管理局 批准了这一方法 —— 它叫做“ 斯坦福 加速智能神经调节疗法 ” （ SAINT，Stanford Accelerated Intelligent Neuromodulation Therapy ）。

        有研究者说，“ 这是 神经影像学 首次成为 美国食品与药物管理局 批准的 精神病治疗 的一部分 ”，这可能是 TMS 技术优化的关键。在大脑中进行“ 神经导航 ”，将会让医生更容易判断 剂量 和 脉冲，从而调整 刺激的 大脑区域 和 模式。而这一优势，是植入大脑的“ 脑起搏器 ”技术所不具备的。

        当然，即使 脑起搏器 和 TMS 技术 与当前的常用治疗方式同样 安全有效，但研究者依然在努力理解这些技术在 细胞层面 的工作原理。目前我们已经知道，能量 影响 神经元的 动作电位，改变细胞的 活动，而且时间越长，会变得越好； 但依然需要进一步的研究： 例如，神经回路 是如何受到影响的？ 刺激引起的变化会如何影响 神经递质？  等等等等。

        脑机接口： 从单向到双向

        伊隆 · 马斯克 （ Elon Musk ） 曾在 2020 年 5 月 7 日 接受过一个采访。在谈到他在 2016 年 创立的 Neuralink 公司时，这位被称为“ 硅谷钢铁侠 ”的创新企业家说，他认为 脑机接口技术 应该可以 修复 任何大脑问题，包括恢复 视力、治疗瘫痪 和 阿尔兹海默症 等。

        这是对“ 脑机接口 ”这个概念的扩展。

        传统上，我们将 脑机接口 （ Brain-Computer Interface ） 理解成一种 连接 人类大脑 与 计算机 的技术体系，它能实现 人脑 与 大脑 的直接通信。或者说，脑机接口 可以 记录、解释 和 应用大脑 活动，来实现与 计算机 或其他设备之间 交互的 技术系统。这种通信往往是单向的，即 人类 可以通过 思维 来控制计算机或机器，就像 《 阿凡达 》 或者 《 黑客帝国 》 那样。

        虽然早在 1929 年，人们就发现了 脑电波 的存在，但通过分析 脑电信号 来控制外部 设备的 研究，还要到 20 世纪 90 年代 才开始发展起来。随着对 大脑功能 的理解愈发深入，随着计算机设备的 计算能力 大幅提升，在进入 21 世纪 后，脑机接口技术 有了长足的进步。

        在早期，研究者往往通过在 受试者 头皮外贴上多个 传感器，用 高灵敏度传感器 捕捉微弱的 脑电信号，再把它们“ 翻译 ”成对计算机的操作。这种方法是 非侵入式 的，但是 速度慢、准确率 很低。后来人们又开发出了更多 非侵入 的方式，包括 脑磁图 （ MEG ）、正电子发射断层扫描 （ PET ）、功能性磁共振成像 （ fMRI ） 和 功能性近红外光谱 （ fNIRS ） 等等，经由分析 思维活动 所带来的 大脑 变化，来推断 受试者 的想法。

        但是这些技术或者 准确率 不高，或者 成本太高，又或者难以 小型化。于是研究者开始尝试直接从 大脑中 获取信号 —— 在大脑里 插入 细小的 电极。

        这类技术叫做“ 侵入式 脑机接口 ”，又可以根据 电极 所在位置的不同而细分成 脑硬膜外、脑硬膜内 和 脑皮质内 三类。从这个角度来看，“ 脑起搏器 ”的 电极 是 插入脑皮质内 的 侵入式 脑机接口设备。

        因为 大脑的 复杂性和工程技术的限制，脑机接口 这个研究领域依然在 艰难探索 中。虽然我们都在 2014 年 巴西世界杯的开幕式上，看到那位 全身瘫痪的 人士通过 脑机接口 操作外骨骼将 足球 踢进球门 的场景，但目前这个领域还远远谈不上发展 成熟。但纵然如此，它已经展现出了 人机交互 的新价值； 无论是医疗、教育、娱乐，还是研发、生产等等各种场景，脑机接口 都有巨大的想象空间。

        可以看出，脑起搏器 和 经颅磁刺激技术，并不符合我们传统的对 脑机接口 的理解。这两种方法都是直接影响大脑活动，而非通过大脑控制控制外部设备或应用，或者使外部设备能够读取和解释大脑活动。它们更像是 神经调控 的方法，而不是直接的 脑机接口。

        不过，新生的概念本来就是在不断扩展的。我们对于 脑机接口 的理解，是建立在“ 传递数据 ”的基础上的； 但通过信号直接刺激大脑来 调整情绪 或“ 重置 ”部分 大脑功能，似乎也可以理解为 从外部 向大脑中传递 数据 —— 产生特定的 情绪，是否可以理解成 大脑 对外界传入数据的反应呢？

         当一些 神经系统疾病 可以被 脑内 或 颅外 的刺激源改善，当 情绪 可以依靠外部设备生成和改变，我们会发现，这恰巧形成了 传统脑机接口 的镜像 —— 指令不是从 人脑 到 电脑，而是从 电脑 到 人脑。

        而这样的 双向 脑机接口，所带来的除了能 想到和想象不到 的新创意、新市场和新担忧外，可能还有对 人 的本质的更深的理解。


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