來(lái)源：DeepTech深科技
鋼鐵與肉體，虛擬與現(xiàn)實(shí)，鮮活的思想和冰冷的機(jī)器，諸如此類的人機(jī)共生畫面與賽博朋克情節(jié)，早已在科幻 " 教父 " 詹姆斯卡梅隆的系列大片中得到了淋漓盡致地展示。
幸運(yùn)的是，這些刷新人類認(rèn)知的 " 黑科技 " 并沒(méi)有止步于大熒幕，而是真的被科學(xué)家們一步步變成了現(xiàn)實(shí)。比如，2009 年上映的《阿凡達(dá)》主打的腦機(jī)接口技術(shù)，就于 2020 年 8 月被 " 硅谷鋼鐵俠 " 馬斯克搬上了新聞發(fā)布會(huì)，當(dāng)眾宣布他的公司（Neuralink）成功在豬腦中植入了腦機(jī)接口芯片。此消息一出，立刻在全球引發(fā)了廣泛的關(guān)注與熱議。
當(dāng)所有人都慨嘆馬斯克在腦機(jī)接口領(lǐng)域已經(jīng)處于絕對(duì)領(lǐng)軍地位時(shí)，一個(gè)華人卻站出來(lái)說(shuō)，" 我們已完成超過(guò) 15000 個(gè)小時(shí)的人體植入和實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)速度遠(yuǎn)超馬斯克。"
圖 | 受試者用思想靈活控制假肢
這個(gè)人就是楊知，本科就讀于浙江大學(xué)，后又前往加州大學(xué)圣克魯斯分校攻讀電氣工程學(xué)碩士與博士學(xué)位，師從劉文泰（Wentai Liu）教授。現(xiàn)任美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校生物醫(yī)學(xué)工程系副教授。
圖 | 實(shí)驗(yàn)性人體研究受試者（左）；楊知（右）
與馬斯克 Neuralink 所采用的在大腦中植入微電極陣列并進(jìn)行皮層解碼不同的是，楊知團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新一代生物電神經(jīng)接口技術(shù)平臺(tái)，是通過(guò)外周神經(jīng)通路在人的思想與機(jī)器之間建立新的信息管道，從而讓截肢者能真正靈巧而直觀地控制假肢。試驗(yàn)結(jié)果表明，這一技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地理解人體神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)，因而有可能成為未來(lái)人機(jī)共生的基礎(chǔ)。
" 我認(rèn)為，這一研究成果是腦科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑式突破，特別是讓一個(gè)失去手的人與假肢真正融合為一體，做到‘所想即所得’。" 楊知十分自信地表示。
該研究成果于 2020 年 10 月 22 日發(fā)表在《神經(jīng)工程雜志》（Journal of Neural Engineering），標(biāo)題為《面向截肢者的生物電神經(jīng)接口，可實(shí)現(xiàn)直觀的假肢控制》（A bioelectric neural interface towards intuitive prosthetic control for amputees）。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Journal of Neural Engineering）
共同第一作者為明尼蘇達(dá)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的 Anh Tuan Nguyen 和 Jian Xu。通信作者為楊知和 Fasikl 公司的聯(lián)合創(chuàng)始人 Edward W. Keefer。
如何做到思想靈活控制假肢？
據(jù)介紹，該技術(shù)平臺(tái)包括三個(gè)組成部分：植入式束內(nèi)微電極，神經(jīng)芯片組，和人工智能（AI）解碼器。具體來(lái)說(shuō)，就是研究人員首先根據(jù)截肢殘疾人的情況確定電極數(shù)量，目標(biāo)神經(jīng)，和手術(shù)方案。比如最近的一個(gè)病例，該團(tuán)隊(duì)使用顯微外科束狀靶向法技術(shù)（FAST）將縱向束狀內(nèi)電極（LIFE Electrodes）植入截肢者的正中神經(jīng)和尺神經(jīng)中，形成與單個(gè)神經(jīng)束的接口。
通過(guò)超低噪聲的神經(jīng)芯片組來(lái)記錄極微弱的神經(jīng)電圖。然后由人工智能模型通過(guò)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）來(lái)解碼神經(jīng)電圖，從而掌握受試者的想法。該平臺(tái)理論上可以將人的的思想和外界機(jī)器連接起來(lái)，比如讓殘疾人控制一個(gè)假肢，又或是一臺(tái)電腦。
圖 | 新一代生物電神經(jīng)接口示意圖（來(lái)源：Journal of Neural Engineering）
其硬件系統(tǒng)包括完全集成的 Neuronix 小型前端記錄器。它由兩個(gè)子單元組成：頭部件和輔助部件，通過(guò)柔性線路連接；其植入的微電極陣列中，每個(gè)陣列由四個(gè)袖帶觸點(diǎn)、一個(gè)束內(nèi)柄和十個(gè)間隔為 0.5mm 的縱向束內(nèi)電極觸點(diǎn)組成。該設(shè)計(jì)旨在記錄來(lái)自單軸突和神經(jīng)元群體的神經(jīng)電圖。
圖 | 實(shí)驗(yàn)范式和硬件組件（來(lái)源：Journal of Neural Engineering）
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)外科醫(yī)生 Jonathan Cheng 為一位經(jīng)橈骨截肢患者植入了四個(gè)縱向束狀內(nèi)電極陣列，其中兩個(gè)位于正中神經(jīng)，另外兩個(gè)位于尺神經(jīng)。這樣的設(shè)計(jì)和手術(shù)方案是為了能更好的，有區(qū)別性的采集和調(diào)控神經(jīng)電圖中的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)和本體感受信號(hào)。
為驗(yàn)證人腦對(duì)假肢的控制效果，該團(tuán)隊(duì)采用鏡像雙邊訓(xùn)練法，即要求患者用能動(dòng)的手執(zhí)行各種手勢(shì)，同時(shí)讓患者腦中想象讓受傷的手也執(zhí)行相同的動(dòng)作。受傷的手的神經(jīng)電圖是從微電極上獲取，而健全的手的運(yùn)動(dòng)會(huì)被數(shù)據(jù)手套捕獲。
基于深度學(xué)習(xí)的 AI 模型則負(fù)責(zé)處理這些數(shù)據(jù)，包括預(yù)處理程序和神經(jīng)電圖解碼。在這項(xiàng)工作中，解碼有離線和在線兩種模式，分別用于測(cè)量系統(tǒng)帶寬和評(píng)估實(shí)際神經(jīng)解碼結(jié)果。
研究發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)能從神經(jīng)系統(tǒng)中獲取大量的信息，且?guī)挸跸胂螅灾劣谀茏寶埣踩擞米杂梢庵緛?lái)控制假肢。并且，該平臺(tái)還支持雙向交流，除了可以讀取人腦的信號(hào)以外，還可以通過(guò)精密的微電刺激向神經(jīng)系統(tǒng)寫入信號(hào)，從而讓殘疾人對(duì)機(jī)械手產(chǎn)生接近自然的感覺(jué)。目前殘疾人能夠執(zhí)行高達(dá) 15 自由度（DOF）的動(dòng)作，包括五個(gè)手指的彎曲 / 伸展和外展 / 內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)靈巧地控制機(jī)械手。
這種腦機(jī)接口到底強(qiáng)在哪里？
楊知表示，目前市場(chǎng)上的絕大部分腦機(jī)接口都是無(wú)創(chuàng)的，在皮膚以外或者貼著皮膚。但就像隔著墻壁拍照一樣，哪怕用紅外照相機(jī)也很難拍清楚，通過(guò)無(wú)創(chuàng)的方法很難拿到高質(zhì)量的腦信號(hào)。
這些無(wú)創(chuàng)的腦機(jī)接口分兩類。一類是基于腦信號(hào)，提前設(shè)定幾個(gè)選項(xiàng)，再由腦信號(hào)來(lái)激活其中的某個(gè)選項(xiàng)。所以目前基于腦信號(hào)的假肢只能執(zhí)行有限的動(dòng)作，達(dá)到 3-4 個(gè)自由度。
另一類在嚴(yán)格意義上并不是基于腦信號(hào)。例如 Facebook 收購(gòu)的 CTRL-labs 其實(shí)是基于體表肌電信號(hào)（EMG）。還有其他也聲稱是腦機(jī)接口的產(chǎn)品其實(shí)是基于眼球、舌頭及身體各部位的移動(dòng)。
楊知認(rèn)為，不管是哪一類，只要是基于無(wú)創(chuàng)的，獲取的信號(hào)質(zhì)量就會(huì)受到限制，性能也就必然受到影響，因此都無(wú)法做到像他們的技術(shù)一樣，能讓殘疾人用自由意志來(lái)控制假肢。
當(dāng)然，還有一大類植入式的腦機(jī)接口，比較知名的就是馬斯克去年宣布的 Neuralink。這需要在人腦中植入電極和芯片，做一個(gè)相當(dāng)有風(fēng)險(xiǎn)的開(kāi)顱手術(shù)。
" 但馬斯克是鋼鐵俠，他不 Care 這些所謂的風(fēng)險(xiǎn)和可能的感染。我自己也在做這方面的研究，所以我很清楚他們的技術(shù)目前還有很多無(wú)法解決的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。也是因?yàn)檫@一點(diǎn)，他們現(xiàn)在只推進(jìn)到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，離長(zhǎng)期的人體試驗(yàn)和拿到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還有一段路。" 楊知說(shuō)道。
相比而言，楊知團(tuán)隊(duì)所推出的平臺(tái)能與神經(jīng)系統(tǒng)做對(duì)接，而且其有效性和安全性已被人體試驗(yàn)驗(yàn)證。楊知強(qiáng)調(diào)稱，" 完成人體試驗(yàn)并獲取大量有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)，是我們技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)之一。"
其次，他們的植入方式風(fēng)險(xiǎn)小很多。他們采用的方式是向手臂植入電極，屬于微創(chuàng)手術(shù)，所以病人當(dāng)天或者第二天就可以出院。
未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn) " 用意念隔空打游戲 "
楊知告訴 DeepTech，早在 2004 年，他就開(kāi)始做神經(jīng)芯片方面的研究，并在當(dāng)時(shí)參與過(guò)人造視網(wǎng)膜的項(xiàng)目，即在盲人眼球里植入芯片電極，讓他們恢復(fù)部分視力。這一經(jīng)歷讓他對(duì)植入式系統(tǒng)有了大概的了解。
畢業(yè)后，他從 0 開(kāi)始組建自己的團(tuán)隊(duì)與神經(jīng)電子實(shí)驗(yàn)室。最初 5 年在做腦機(jī)界面和植入式神經(jīng)電子學(xué)研究，后又耗時(shí) 5 年走通各種臨床道路。在此期間，楊知于 2019 年 7 月 8 日在美國(guó)得克薩斯州成立了初創(chuàng)公司 Fasikl Inc.，致力于開(kāi)發(fā)神經(jīng) AI 技術(shù)，推動(dòng)先進(jìn)的腦機(jī)通信技術(shù)的商業(yè)化落地。
" 從開(kāi)始到現(xiàn)在，我們耗費(fèi)了大概 10 余年時(shí)間，才從科研走到應(yīng)用以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。" 楊知感慨道。
回顧這一路求學(xué)和科研之路，他坦言，自己非常幸運(yùn)能遇到一位知識(shí)廣博且要求近乎苛刻的導(dǎo)師。一直以來(lái)，其導(dǎo)師秉持著 " 不應(yīng)該以文章為導(dǎo)向做研究，而且一定要選擇自己真正感興趣的有意義的課題 " 的信條，這讓他真正學(xué)會(huì)了如何做科研，并開(kāi)始重新審視個(gè)人價(jià)值觀。
受到恩師的影響，楊知開(kāi)始慢慢從青年時(shí)代看重基礎(chǔ)性研究，轉(zhuǎn)到后來(lái)的 " 更看重研究的影響力 "， 最關(guān)心的問(wèn)題也變成了這項(xiàng)研究究竟能否為社會(huì)帶來(lái)好處，否則就沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義。
因此，他們的團(tuán)隊(duì)十分注重病患對(duì)其設(shè)計(jì)的假肢的使用感受。一位常年佩戴商業(yè)假肢的患者曾對(duì)他說(shuō)：" 有了你們的技術(shù)，我可以回歸自然的手部動(dòng)作，這太棒了。" 這對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)就是前行道路上最大的鼓勵(lì)。
視頻 | 受試者與團(tuán)隊(duì)交流使用新一代腦機(jī)接口的感受
為了讓每一個(gè)研究進(jìn)展都有的放矢，真正貼合病患們的實(shí)際需求，他們?cè)儐?wèn)大家，" 你覺(jué)得我們研發(fā)的腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)最大的應(yīng)用前景是什么？"
其中一位病患的回答給他們留下了深刻印象：
" 我覺(jué)得會(huì)是電腦游戲，這種接口也許不止能讓殘疾人，還能讓健全的人實(shí)現(xiàn)‘用意念打游戲’，完全不需要?jiǎng)邮志湍芨艨胀孓D(zhuǎn)《孤島驚魂》"。
" 真的會(huì)有健全的人愿意為了打游戲而去做一個(gè)微創(chuàng)手術(shù)，往身體里植入電極嗎？"
" 當(dāng)然，你不知道用意念就能控制游戲中的角色，這對(duì)玩家來(lái)說(shuō)有多酷！如果你們能夠把這個(gè)技術(shù)做得更好，結(jié)果如何，who knows？"
病患的話讓人驚詫，同時(shí)也讓楊知得以從全新的視角審視這一研究的意義與應(yīng)用前景。
因此，未來(lái)他將分兩步繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)研究工作，第一是繼續(xù)做研究，把現(xiàn)有框架進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成在線范例，做到實(shí)時(shí)解碼神經(jīng)數(shù)據(jù)，更加靈活地控制假肢。并努力優(yōu)化平臺(tái)的各部分組件，使其無(wú)縫地協(xié)同工作，讓處理延遲最小化。第二則是大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化與實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行大規(guī)模的臨床實(shí)驗(yàn)，讓這項(xiàng)技術(shù)得到充分利用，最大程度普惠大眾。
