从技术赋能到医疗应用,脑机接口到底能为医疗领域带来哪些变化?

· 被投企业

 孙瑜和他的朋友们

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此图片来源于:Pexels

大家好,我是孙瑜,曾留美17年,博士毕业于全美第一的阿克隆大学高分子专业,目前正在国内全职从事脑机接口相关的创业工作;创业的同时与大家分享一些我与朋友们的故事、经验、想法等等,如果能让大家在此过程中有所收获,那将是我最大的满足。

随着以人工智能技术为核心的第四次技术革命深入发展,脑机接口技术已经成为美、日、欧盟等发达国家优先支持的创新型技术之一,成为我国脑计划“一体两翼”、“十四五”规划中“脑科学与类脑研究”领域重要的战略前沿技术之一。而医疗领域作为脑机接口技术最重要的应用领域之一,它为产业带来了怎样的影响,已经实现了哪些应用,都是值得关注的问题,本期我们邀请到了拥有丰富医疗经验及医疗知识的专业医生,聚焦“从技术赋能到医疗应用,脑机接口到底能为医疗领域带来哪些变化?”话题,深入探讨脑机接口技术在医疗领域的应用方向及影响。

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万力—— 复旦大学脑科学研究院神经生物学博士

●柔灵科技首席技术官

●深圳大学第一附属医院康复医学科博士后研究员

● 主研神经退行性病变及脑学习 记忆高级功能。主持及参与国 家级课题 4 项,发表SCI论文6篇 

● 具有多年软件从业经验及嵌入式开发项目经验

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此图片来源于:Pexels

孙:您作为医生,从医生的角度,是如何理解脑机接口的?

万:人类的大脑与它相关联的器官,共同组成了一个非常精巧复杂的系统。如果把人类大脑比作计算机,那么它是一台堪称完美的计算机。(大脑)除了拥有“CPU”、“内存”之外,也有相关的外延;比如眼睛、耳朵等器官,就是人类在数亿万年的进化中,演进出来的 “信息接口”;相对的,人类也有“信息输出”的手段,例如通过语言表述,肢体动作来进行交流沟通。电脑有CPU、GPU、内存等模块来保障基本运行,也有屏幕进行可视化的工作,还有标配的鼠标和键盘,可以进行信息输入的操作。实际上,(电脑)跟人类大脑的功能模式都是对应的,但不同的是大脑缺少一个关键要素——usb接口,一个可以配合大脑即插即用,从外部直接改变大脑功能的手段。那如何从技术的角度去弥补这个手段呢?脑机接口,便是我们向这个方向努力的一次重要尝试。它是一种更直接的方式,更直接地获取信息、传输信息,而不仅限于用眼睛去看,嘴巴去说。我们可以通过脑机接口进行一个更纯粹的信息交换、传入和传出,这是脑机接口最大的意义——缩短了人和信息之间的距离,改变了人获得信息,传输信息的方式。记得多年前,我在复旦(大学脑科学研究院)读书时,曾经有一位神经内科的医生,跟我聊起脑机接口技术在他们科室内的一些应用,我当时就认为脑机接口一定会在未来某个时刻改变这个世界。为什么我会如此笃定?举个例子,假设我吃了一份很美味的食物,或摸到一块非常舒适的布料,我的味觉、触觉,甚至其他感官,都可以被计算机所模拟并还原,在这种情况下,人类对物质世界的追求会不会发生改变?比如昂贵的鱼子酱,模拟它的口感并“真实地”还原,从而弥补因为经济条件限制而丧失的美食感受。简而言之,让现实生活中的所有体验,所付出的价格或代价都相对合理。如果这场变革能够真正实现,那我认为并深信脑机接口是可以从本质上去改变人类世界的。

孙:您认为脑机接口对医疗领域的最大的价值主要是体现在哪几方面?

万:一方面体现在康复领域比如肢体残疾的人可以通过肌电或脑电去驱动假肢,重新获得部分失去的(行动)功能。另一方面可用于肢体不残疾,但大脑相应的功能区域受损(的病患),可以通过镜像(神经元)的脑机接口训练,让大脑尽快产生代偿效应,加速恢复一部分肌体的功能,这两个方面都是脑机接口在运动康复领域的体现。另外一个比较前沿的应用是在意识层面,认知层面的,比如说用脑机接口去治疗ADHD(多动症)、ASD(自闭症)。还有一些更加成熟的脑机接口的应用,最成功的就是人工耳蜗,它也算是一种植入(式脑机接口),以及现在比较火的人造视网膜的研究,通过这些方面都可以看出,脑机接口在医疗领域的应用是比较广泛的。

孙:刚才您提到了很多脑机接口在医疗领域的应用,这些应用会在什么时候实现?

万:刚才提到的有部分现在已经实现了,只不过“技术实现”离“技术成熟”还有一段的距离。比如人工耳蜗是很成熟的技术,但是像人造视网膜这种(技术),估计还需五到十年的一个发展期,最终什么时候可以走进更广阔的医疗领域,取决于材料学和算法更进一步的发展。

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此图片来源于:Pexels

孙:目前脑机接口技术在医疗康复领域得到了良好应用,这方面能详细说说吗?

万:相关的医疗康复主要包含两大类,一个是肢体康复(运动康复),第二个是神经康复,两者是相辅相成的。就目前而言,脑机接口技术无论是在肢体康复,还是在神经康复上,都有比较广泛的应用。以(脑)卒中后的运动康复为例,病人在脑卒中后丧失了一部分肢体运动的功能,可以通过脑机接口技术进行治疗。在肢体修复方面,如果下肢瘫痪,可能是运用肌电引导外部机器,进行行走的训练;如果是上肢瘫痪,可能是做一个由脑电或肌电引导的镜像训练。在康复过程中,所有动作,包括精细动作,都可以通过脑机接口训练得到一定的提升。在神经康复方面,在整个康复过程中,可运用侵入式或非侵入式的设备,通过肌肉的运动和大脑的运动皮层,及其他功能皮层的放电,使它们产生关联。在一个动态的过程中,更好的监控大脑整个中枢神经系统,是如何操作协调人的肢体的,是不是和正常人相比有一定差异性的。从外周和中枢两个层面都能够协同处理这个过程,缩短病人的康复周期,并且提升康复训练效果。

孙:那刚才我们说了很多关于康复的内容。您认为脑机接口短期内,在医疗领域还能实现什么应用?

万:有很多方向,比如帕金森、自闭症等等,我个人比较熟悉的方向是意识障碍患者唤醒,现在一些相关的研究,把脑机接口技术的应用到这方面,这是一个非常好的发展方向。一方面可以根据病患的大脑情况,为其定制化画像,然后利用画像选择不同的治疗手段,并对他的觉醒做一个非常具体的预期和判断。另一方面是在意识障碍的患者脑部去埋植一些可以进行深度刺激的电极。这些电极不仅有刺激的功能,还有采集记录的功能,它可以采集记录不同脑区的放电,然后改变自身的刺激模式形成一个闭合,这也属于一种脑机接口模式。它的目的是在一个植入式的状态下,能够长期放电刺激相应的脑区,然后达到促醒的效果。

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孙:相关的技术在短期内,比如3年、5年内,会不会达到快速发展的阶段?有什么障碍会阻碍它的发展?

万:最近几年脑机接口技术的发展,特别是侵入式(技术)的发展,呈现出逐步加速的趋势,相关的研究报告,包括行业的热度也是越来越高(多),我觉得(这个现象)主要得益于材料学和手术(相关技术)的进步。但它依然有一些非常大的限制,比如材料方面,侵入式的脑机接口被植入3到6个月后,深入埋置的电极会被神经胶质细胞所包裹,逐渐失去作用。这种情况下可能需要重新植入,对患者而言又要经历一段非常痛苦的过程,所以如何去延长电极的使用寿命,提高它的生物相容性,是一个非常重要的问题。还有一些新方向、新技术的加入,也会提升它的发展。比如利用血管接入技术,从脑血管网络里面把电极植入进去,这种手术相对更成熟,相关的风险比较低,而且脑血管网络四通八达,也更易于操作。所以它的发展会越来越快,但依然有核心问题需要解决,这需要持续地、深入地研究。

孙:目前这些技术的费用还比较高昂,它会一直如此,还是有所改变?

万:随着技术的进步,在未来某一个时间点,某一种脑机接口技术足够成熟,相应的费用肯定会朝更加亲民的方向发展。比如人工耳蜗已经发展到了相对成熟的阶段,普罗大众也有此需求,它未来有可能被纳入医保范围,进而实现相关费用的降低。所以,未来会有更多的人,能够享受到脑机接口技术所带来的便利。

孙:考虑到医疗行业比较保守,您认为脑机接口实现大规模应用还需要解决哪些问题?

万:首要解决的问题就是安全性问题。比如侵入式脑机接口,如何解决植入材料的生物相容性问题,以及怎么去改进优化手术形式。例如把它从有创手术,变成一个微创手术,甚至变成一个无创手术。如果侵入式能够变成微创或者无创植入,非侵入式脑机接口能解决鲁棒性和可靠性问题,那么我觉得它们的应用范围都会进一步拓展。还有很重要的伦理问题,谁来决定病人需要接受脑机接口(相关技术)的治疗,还是接受传统的保守治疗方式?这些都是摆在我们未来发展方向上的问题。

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孙:从医生的角度,您认为应该如何解决脑机接口的持续性问题?

万:持续性需要考虑到材料及供电,如果是针对材料及供电方向,可以考虑电极埋置后的使用时长,使它可以在体内待更长的时间。从三个月更换一次,发展到两年更换一次,然后慢慢迭代升级相关技术,使它的使用时长可以达到十年,或者一辈子都不需要更换。还有另外一种发展方向,使内部嵌入的电极可以被降解,被植入的电极可以在三到五年内完成自然降解,不用再从病人体内取出来,避免二次伤害。除此之外,我觉得有两个解决供电问题的思路,第一个比较成熟的、现有的解决方案,像人工耳蜗一样外挂一个供电的装置,另外是一些更加智能的方案,比如采用无线充电的方式,虽然整个系统还是植入式的,埋置在颅骨内,但因为有一部分贴近颅骨,可以把颅骨打薄,以实现(隔着颅骨)的无线充电。

孙:脑机接口手术是怎样的?会有怎样的安全问题?

万:现在的脑机接口手术一般都是在大脑皮层上做的,但实际上单从信息的获取和植入的角度来讲,大脑皮层其实并不是最佳的选择。最佳选择应该在脊髓上,因为脊髓相当于设备的IO总线。现阶段选择大脑皮层植入,相当于面对一台非常复杂的、有成千上万种颜色的灯的机器,我们需要解读灯泡闪烁的规律,从而判断机器内部是怎么运行的,所以把机器的外壳钻了个洞,然后把类似导电夹一样的探测设备放进去,随机夹住了某一根线,当这台机器以某种规律运行时,探测设备也会有反应,在长时间的信息解码及数据积累后,才有可能掌握某种规律。从这种角度上看,我们对大脑的了解还非常粗浅,先不说理解这台机器整个的运作过程,最起码要夹住它的总线,这样才能理解机器运行的逻辑,这才是最核心的问题。但现在为什么几乎没有人去做脊髓的脑机接口手术?因为风险实在是太高了,稍有不慎,一个健康的人可能就瘫痪了。如果在皮层上做,风险会低一些,但仍然存在一定的风险。比如手术过程中是否会损伤大脑表面的血管?涉及到手术的器械如何充分消毒?脑机接口设备都是一些非常精密的电子原件,很难拆解开分别消毒,但消毒不充分,有可能造成非常严重的感染。所以对普通人而言,脑机接口手术的风险是非常大的,当然我们有信心随着科技的进步,在未来的几年内,进一步提高手术的安全性,用更成熟的手段,尽可能地避免上述的危险。

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孙:由于脑机接口是直接读取人的脑电信息,它是否会涉及隐私方面的问题?

万:需要分阶段去看这个问题,目前阶段,从技术上,从学科的发展上来看,我们目前还不能完全理解大脑本身的思维范式,侵入式或非侵入式(脑机接口技术手段)只能获得大脑信息,把这些信息解析成我们所能理解的信息是很困难的。目前对我们而言,大脑本身的运作模式还是“黑箱”,至于未来发展到某一个阶段后,我们可以理解大脑的运作的模式,并通过植入式的电极阵列,或者脑电帽等方式,把这些信息重建成影像、声音,或者更有甚者的重建一个人的思维模式时,才会成为涉及到个人隐私和安全保密的问题。在相当长时间的发展周期内,无论是法规还是伦理,都会随着技术的发展而演进。所以我认为发展到那个阶段的话,相对应的问题自然会被相关伦理和法规所约束。

孙:人的思维是发散性的,很多时候并没有那么聚焦,如果设备实时读取信息,是否会读取出不符合人的意志的信息?这是否会造成新的伦理道德问题?

万:我理解的作为一个人的意愿、思维活动到最终形成一个真正的行动,这之间是有一段距离的。我们的大脑时刻在进行各种各样的思维活动,但最终是哪些思维活动占据主导地位,最终产生行为驱动人体去执行的问题,在现代和古代的神经生物学中,都有很多模型去描述这个过程。我觉得脑机接口真正要获得的(信息)是最终选择的行为,而不是把选择过程中产生的分支描述获取出来。我会认为这种分支描述是一种测量的误差,如果是测量误差,是否可以通过技术手段消除测量的误差。实际上,有一个特别贴切的例子——测谎仪。普通人可以通过坚定的信念去欺骗测试者,甚至欺骗大脑。但是植物神经系统所支配的一些活动,不受训练的话很难改变,例如心跳、皮肤的发汗、皮肤局部的温度,这些都是很难主观改变的指标。抛开测谎的场景,也能把这些指标跟脑机接口进行一个结合,在脑机接口做选择,分类的时候,也可以利用植物性神经系统的指标,对结果进行修正,也许能避免发生上述问题

孙:您认为在医学上,脑机接口带来的信息应该如何使用?

万:任何时间段,哪怕脑机接口技术已经发展到一个非常成熟的阶段,我们从脑机接口中获得的信息,尤其是涉及到个人意志和个人思维的信息,应该始终作为一个辅助性的指标,而不能作为一个决定性的指标。任何的判断,都应该建立在事实的基础上,在医疗领域里有一个最基本的准则:对于一些主观的功能性指标的采信度,永远都应该大于客观性的指标。例如一个病人处在无意识状态,但脑电解读出他的思维依然保持活跃,那能不能评定他处在活跃(状态)呢?答案是否定的,无论脑电数据显示他有多活跃,如果功能性指标显示病人确实处于一个mcs(最小意识)状态,医生一定会从功能性(指标评判为主的)角度出发,以事实为基础做出判断。因此无论技术如何发展,这个原则是不能改变。