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腦機(jī)接口距離落地還有多遠(yuǎn)？
上海大學(xué)人工智能與醫(yī)工交叉研究中心主任楊幫華教授告訴《醫(yī)健AI掘金志》，“資本市場對腦機(jī)接口行業(yè)還處于觀望階段。”資金，是現(xiàn)階段限制行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。
1973年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家雅克·維達(dá)爾在前人研究的基礎(chǔ)上，做出了一個(gè)全新的設(shè)想：通過放置在頭皮上的電極可檢測到大腦發(fā)出的實(shí)時(shí)信號，對信號進(jìn)行翻譯后用于控制計(jì)算機(jī)。
這就是最早出現(xiàn)的腦機(jī)接口概念。
半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們從未停止過對這項(xiàng)技術(shù)的探索，腦機(jī)接口的概念范疇不斷延伸，與腦電信號采集、解碼相關(guān)的電極、芯片、算法的研發(fā)也不斷取得新的突破。
今年5月，埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的腦機(jī)接口公司Neuralink宣布，首次人體臨床試驗(yàn)已獲得美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)，意味著腦機(jī)接口進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。
真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地之前，這項(xiàng)技術(shù)還面臨著哪些困難和阻礙？
腦機(jī)接口將如何影響未來的醫(yī)療健康場景？
侵入式腦機(jī)接口與非侵入式腦機(jī)接口那哪種方式將成為未來的主流？
就以上問題，在8月16-22日舉辦的世界機(jī)器人大會上，《醫(yī)健AI掘金志》和來自上海交大、上海大學(xué)、東南大學(xué)、天壇醫(yī)院等高校和醫(yī)院的腦機(jī)接口研究者們進(jìn)行了對話。
從腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能與用途來看，腦機(jī)接口可以分為運(yùn)動腦機(jī)接口和情感腦機(jī)接口兩個(gè)類別。
2019年，南加州大學(xué)Maryam Shanechi教授曾在Nature Neuroscience雜志上發(fā)布了一篇題為《從運(yùn)動到情緒的腦機(jī)接口》的綜述文章，介紹了運(yùn)動腦機(jī)接口與情感腦機(jī)接口的不同特點(diǎn)。
文章中指出，運(yùn)動腦機(jī)接口當(dāng)前的研究主要集中在癱瘓患者的運(yùn)動功能恢復(fù)。研究者利用數(shù)學(xué)算法從神經(jīng)信號中估算出患者的運(yùn)動意圖，并使用解碼結(jié)果來控制外部執(zhí)行器（如假肢裝置），并向患者提供感官和獎勵反饋，從而創(chuàng)建一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
情感腦機(jī)接口的研究則集中在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和神經(jīng)精神疾病上，通過調(diào)控情緒狀態(tài)來恢復(fù)失去的情緒功能。在這個(gè)過程中，腦機(jī)接口技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是調(diào)節(jié)大腦內(nèi)部狀態(tài)，而非控制外部執(zhí)行器運(yùn)動。
其治療方式是先解碼情緒癥狀的狀態(tài)，將狀態(tài)作為反饋來決定何時(shí)以及如何對大腦做電刺激。情感腦機(jī)接口同樣是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，大腦是執(zhí)行器，外部電刺激是控制指令，控制內(nèi)容則是由神經(jīng)反饋和治療目標(biāo)決定。
在2023世界機(jī)器人大會的受邀嘉賓中，上海大學(xué)人工智能與醫(yī)工交叉研究中心主任楊幫華與上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院腦機(jī)接口與神經(jīng)調(diào)控中心共同主任呂寶糧，分別是運(yùn)動腦機(jī)接口與情感腦機(jī)接口兩大研究方向的代表人物。
楊幫華
楊幫華教授專注于基于運(yùn)動想象的腦機(jī)接口研究，她向《醫(yī)健AI掘金志》介紹，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的運(yùn)動功能障礙治療中，當(dāng)前常見的物理治療手段大多為被動治療方式，在患者康復(fù)的過程中，大腦并沒有主動參與這一過程。
腦機(jī)接口技術(shù)通過探測患者的腦電波，將患者大腦產(chǎn)生的主動康復(fù)的意圖反饋給患者本身，同時(shí)也將命令傳達(dá)給機(jī)器人等外部設(shè)備，打造了從大腦主動意圖的探測到外部康復(fù)機(jī)器人的閉環(huán)訓(xùn)練系統(tǒng)，使患者實(shí)現(xiàn)從大腦到肢體，再從肢體到大腦的康復(fù)過程。
相比以往單方面通過肢體康復(fù)作用于大腦的治療方式，基于運(yùn)動想象的腦機(jī)接口技術(shù)可縮短患者的康復(fù)時(shí)間，提升康復(fù)的效果。
呂寶糧
呂寶糧教授則聚焦于多模態(tài)情感腦機(jī)接口及其在抑郁癥客觀診斷方面的應(yīng)用。
呂教授介紹，腦深部電刺激療法（DBS）最早應(yīng)用于帕金森病的治療，20%-30%的帕金森患者同時(shí)出現(xiàn)了并發(fā)癥——抑郁癥。研究者發(fā)現(xiàn)，這一療法對抑郁癥的治療也有一定的效果，于是DBS開始應(yīng)用于難治性抑郁癥。
在抑郁癥患者中有20%-30%是難治性抑郁癥，在臨床上，藥物療法、物理療法和運(yùn)動療法都不太起作用，DBS是目前治療難治性抑郁癥的一種很有前途的新方法。
但是DBS腦起搏器原本是為帕金森病治療設(shè)計(jì)的，要應(yīng)用于難治性抑郁癥的治療需要在電極微型化和參數(shù)個(gè)性化等方面進(jìn)行探索。
此外，情感腦機(jī)接口還有一個(gè)重要特點(diǎn)，即不同年齡、性別、職業(yè)和文化背景的患者，情緒的變化具有很大的差異性。因此在實(shí)驗(yàn)中就要考慮到這些因素，需要使用更加個(gè)性化的DBS刺激參數(shù)和范式，以提升療效。
為此，上海交通大學(xué)于2018年啟動了第一個(gè)醫(yī)工交叉重大研究項(xiàng)目，呂寶糧教授與瑞金醫(yī)院功能神經(jīng)外科的孫伯民主任，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院徐天樂教授和上海市精衛(wèi)中心的方貽儒教授等七位教授開展了腦機(jī)接口治療難治性抑郁癥的探索，致力于通過跨學(xué)科研究優(yōu)化DBS參數(shù)設(shè)置，借助客觀的評估技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的個(gè)性化和優(yōu)化。
從腦機(jī)接口的信號采集方式來看，可分為侵入式與非侵入式兩種。
侵入式腦機(jī)接口是通過手術(shù)將電極陣列植入顱內(nèi)，直接記錄或刺激大腦神經(jīng)元，以實(shí)現(xiàn)與外界的交流，采集到的信號更為精準(zhǔn)，呂寶糧教授所做的腦深部電刺激療法（DBS）就屬于侵入式腦機(jī)接口。
由于這種信號采集方式需要對病人進(jìn)行手術(shù)植入電極， 具有一定的危險(xiǎn)性，在臨床上往往只用于部分重癥患者的治療。
非侵入式則是在頭皮外部進(jìn)行信號采集，信噪比較低但安全性更強(qiáng)。相比之下，非侵入式腦機(jī)接口的應(yīng)用場景要廣闊得多，除常規(guī)的康復(fù)、治療場景外，還可以作為工具為醫(yī)生提供幫助。
宋愛國
東南大學(xué)電儀控制學(xué)部主任、機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所所長宋愛國教授，將腦機(jī)接口技術(shù)融入人機(jī)交互機(jī)器人的研究之中。
相比純粹的腦機(jī)交互研究，宋愛國教授的“腦機(jī)融合”研究多出了一個(gè)感知反饋的環(huán)節(jié)。
一方面，利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助使用者控制作為外部執(zhí)行器的機(jī)器人；另一方面，又將利用機(jī)器人力觸覺傳感技術(shù)采集的信號反饋給大腦，形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)的高度融合。
這項(xiàng)技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人的適配度十分之高，借助非侵入式的腦機(jī)接口設(shè)備與手術(shù)機(jī)器人，醫(yī)生能夠更精準(zhǔn)地感知手術(shù)過程中患者的身體情況以及機(jī)器人手術(shù)過程的力觸覺信息，提升手術(shù)的成功率。
宋愛國教授指出，從技術(shù)難度、治療風(fēng)險(xiǎn)、患者接受度等各方面考慮，非侵入式腦機(jī)接口會是未來的主流手段。
天壇醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師何江弘從臨床的角度分析，未來兩條路線將會并行，采取哪種方式則取決于病人的具體情況更適合哪種采集方式。
“無創(chuàng)的腦機(jī)接口應(yīng)用會更廣泛，倫理挑戰(zhàn)也比較小，能夠更快地應(yīng)用在臨床治療中。但針對一些非侵入式腦機(jī)接口也不起作用的特殊病情，則有必要采取有創(chuàng)的方式進(jìn)行信號采集。”
從臨床應(yīng)用場景來看腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用場景，除上述楊幫華、呂寶糧兩位教授分別專注的運(yùn)動障礙診療、精神疾病診療以外，還將在意識與認(rèn)知障礙診療、感覺缺陷診療、癲癇和神經(jīng)發(fā)育障礙診療等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
何江弘醫(yī)生向《醫(yī)健AI掘金志》介紹，當(dāng)前國內(nèi)腦機(jī)接口產(chǎn)品的成熟度距離落地應(yīng)用還有很長的路要走，在成果轉(zhuǎn)化上還存在一些問題。
何江弘
一方面，由于腦機(jī)接口在臨床上的應(yīng)用是一個(gè)近年來才興起的新場景，相關(guān)的政策法規(guī)仍不完善，腦機(jī)接口產(chǎn)品申請醫(yī)療器械證將是一個(gè)十分漫長的過程；
另一方面，產(chǎn)品研發(fā)是一個(gè)“無底洞”，需要不斷投入大量的資金，許多研究就卡在了資金供給上。
據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的研究報(bào)告，腦機(jī)接口公司研發(fā)投入極高，業(yè)內(nèi)的年研發(fā)投入普遍超過其年收入的80%。
因此，能否通過融資等手段獲取充足的現(xiàn)金流以支持其漫長的研發(fā)周期成為腦機(jī)接口公司發(fā)展能力的關(guān)鍵因素。
楊幫華教授介紹，國內(nèi)的腦機(jī)接口行業(yè)當(dāng)前尚未進(jìn)入爆發(fā)期，大多投資方對這一技術(shù)還處于觀望階段，實(shí)際投資還不多。
“他們更希望在人體實(shí)驗(yàn)形成規(guī)模、獲得大量醫(yī)院與患者的正向反饋后，再攜資金入場。”
然而，腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)的開展，每一例都需要投入大量成本，在資本入場之前，資金問題成為了掣肘研究工作轉(zhuǎn)化應(yīng)用的重要一環(huán)。
技術(shù)瓶頸、倫理挑戰(zhàn)、市場質(zhì)疑······在產(chǎn)業(yè)爆發(fā)之前，腦機(jī)接口還有很長的一段路要走。雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))雷峰網(wǎng)雷峰網(wǎng)
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