卡耐基梅隆大學生物醫學工程系主任賀斌教授（照片由本人提供）
撰文 | 李澄宇（中科院神經所PI）
趙維傑（NSR新聞編輯）
腦機接口能做什麼？帶上電極帽，你可以在實驗室中用意念控制無人機飛行；在大腦皮層中植入電極，癱瘓病人能夠用意念打字或者驅動輪椅。無論是無創還是有創的腦機接口，都試圖在人類大腦與外部機器之間建立連接。過去幾十年中，腦機接口技術穩步發展，一步步從科幻走向現實，也開始從實驗室走向生活。2019年7月，埃隆·馬斯克旗下 Neuralink 公司發布了一款縫紉機式的外科機器人，它可以在頭骨上打洞，並將3072個微電極置入大腦皮層。
最近，《國家科學評論》 （National Science Review，NSR） 採訪了卡耐基梅隆大學生物醫學工程系主任賀斌。賀斌是無創腦機接口領域的優秀科學家，2013年，他的研究團隊利用無創腦機接口技術，實現了意念控制無人機飛行並跨越障礙，2019年，他的團隊又實現了意念控制下機械臂對運動光標的連續追蹤。在這次訪談中，賀斌談到了腦機接口技術的歷史與未來應用方向，並著重介紹了無創腦機接口相關的機遇與挑戰。
腦機接口的歷史與現狀
NSR：如果要向普通人介紹腦機接口技術，您會怎麼介紹？
賀斌： 我認為腦機接口包含兩個方面。第一方面是現在大眾比較感興趣的：我們可以檢測人的大腦信號，解碼其中的含義，再用這個含義去控制機器，這裡所說的機器可以是機械臂、無人機、電腦等等。但是從廣義上講，腦機接口還包括另一個方面：我們可以不只是被動地接收大腦信號，還可以把電、磁、聲等信號傳入大腦，來刺激或者調控神經迴路的活動。目前，這種神經調控技術主要用於疾病治療。
NSR：腦機接口技術的發展歷史上有哪些重要事件？
賀斌：腦機接口 （brain-computer interface，BCI） 這個概念是Jacques Vidal 在20世紀70年代提出的。這之後的一個重大進展是，科學家可以通過腦電信號檢測，以無創的方式用意念驅動光標在屏幕上做一維運動。這項成果的出現，讓科學界和大眾都對腦機接口產生了興趣，政府和資助機構也開始願意資助這個研究領域。2004年 Jonathan Wolpaw 和同事在PNAS上發表了一篇文章，他們可以用意念驅動光標做上下左右的二維運動。這又是無創腦機接口領域的一個重大進展。後來，包括我的團隊在內，無創腦機接口領域的研究者開始嘗試不只是驅動虛擬光標做簡單的二維運動，而是去驅動更貼近物理實際的實體做更複雜的三維運動，包括無人機、機械臂等。
在有創腦機接口領域，杜克大學的 Miguel Nicolelis 團隊早期在猴子的腦中植入電極，來控制電腦光標的運動。後來匹茲堡大學 Andrew Schwartz 及同事也做了很多工作，在猴子和人身上做實驗，可以控制虛擬的光標，也可以控制實體的機械臂。再後來，布朗大學、史丹福大學、伯克利大學、卡耐基梅隆大學、加州理工學院等許多高校的研究者都開始進行有創腦機接口的研究，也取得了很多進展。
現在，有創腦機接口領域還有一個新的方向，就是雙向腦機接口，在機械臂觸碰到物體後，可以用電信號刺激體感皮層，讓受試者感覺到自己觸碰到了物體。而不是像從前一樣，受試者只能通過視覺來了解控制的結果。
NSR：您自己是怎麼進入腦機接口領域的？
賀斌： 我最初的研究方向是神經成像。將近20年前，在伊利諾伊大學工作期間我開始注意到腦機接口領域。那時候人們對於腦機接口技術的可行性和發展前景還有很多疑問，不少人都不完全相信。作為一個科學家，我想與其這樣猜測，等著其他實驗室來驗證，還不如我自己去探索一下。於是我開始在自己的實驗室做相關的工作，並且越做越覺得有意思。所以後來我從伊利諾伊大學到明尼蘇達大學，兩年前又到卡耐基梅隆，一直都在做這個方向。當然，除了受好奇心的驅使，我也希望看到腦機接口技術能夠造福更多的患者，提高他們的生活質量。我想大部分的腦機接口研究者都有這樣的期望。
NSR：您在自己身上用過BCI嗎？
賀斌： 沒有。我知道有不少科學家會在自己身上做實驗。但是我自己有一個習慣，就是我自己從來不做被試。因為我希望自己不要因為做過被試而產生主觀的偏見。我不能肯定這樣做是不是對的，但我確實沒有做過任何一個實驗的被試。
無創腦機接口：不只是「粗糙的黑箱」
NSR：基於腦電的無創腦機接口接收和解析的是什麼樣的神經信號？
賀斌：無創腦機接口可以分為兩大類，一類是基於運動想像的，我們讓受試者想像自身肢體的運動，接收並且解析他的腦電信號，最終的效果是，當他們在頭腦中想像機械臂或者無人機的運動時，外接設備就會隨之運動。2004年Wolpaw光標二維移動的工作，以及我自己實驗室的工作都屬於這一類。另一類是基於事件相關電位 （Event-related potential，ERP） 的，研究者測量並解析ERP，以此來驅動機器。可供測量的ERP有很多種，比如P300、穩態視覺誘發電位 （SSVEP） 、聽覺誘發電位 （AEP） 等等。
NSR：和有創測量相比，無創腦電測量的空間精確度還是要差一些？
賀斌： 沒錯，在精確性和直接性方面，無創是比不上有創的。人類大腦中有大概上千億個神經元，如果你想用腦電去記錄每一個神經元的活動，這是永遠做不到的。但是我想，也可以從另一個角度來理解這個問題。神經科學研究已經發現，大腦的功能性活動是神經元網絡中許許多多神經元共同參與的結果，往往涉及大量神經元的同步活動，而這種同步活動是能夠被腦電技術測量到的。所以，一方面，你可以說腦電無法測量單個神經元或者少數幾個神經元的活動，另一方面，你也可以說它把單個神經元的活動過濾掉了，只留下神經元群體有意義的集體活動。從這個意義上講，腦電測量、腦磁測量等無創手段有缺點也有優點，它們對於大腦功能的掌握是有獨特意義的。
而且，在實際應用方面，有創的技術很難廣泛應用在普通人群中，即便是在患者當中應用，也會面臨很多問題。所以無創在應用方面有優勢，包括美國國立衛生研究院 （NIH） 在內的很多機構也越來越認可無創技術。現在腦機接口的研究相當熱門，做有創和無創的實驗室都比較多。
NSR：做無創的實驗室會比做有創的更多嗎？
賀斌： 應該是更多的，因為做無創的入門門檻相對較低。做實驗的話，你需要的基本硬體只有一個電極帽，一套腦電測量裝置。如果不做實驗只做算法，那就更加容易了。因為腦電領域有一個非常好的傳統，很多實驗室，包括我的實驗室都會把自己的腦電測量數據向全世界公開。這樣，全世界任何地方的研究生都可以下載這些數據，利用這些數據去做分析，去開發新的更好的算法。
NSR：深度學習對於腦電信號的解析很有幫助。但是與此同時，腦電解析的過程是不是也變成了一個黑箱？我們不需要理解測量到的信號是從大腦的什麼位置發出的，不需要了解信號的實際意義，只要用深度學習算法去做計算就可以了？
賀斌： 機器學習的發展確實對大腦數據的解析很有幫助。尤其是在我們很難把腦電信號和單一神經元的活動對應起來的情況下，這樣的算法非常有價值。我認為下一代的年輕學生應該把機器學習作為基本技能來掌握。
但是腦電解析的過程也不僅僅是一個黑箱，我們也在努力解析其中的信息，找到大腦活動與腦電信號之間的對應關係。現在的源定位 （source localization） 和源成像 （source imaging） 方法，可以把腦電信號定位到大腦皮層的特定位置上，解析度最高能達到5毫米左右。5毫米的範圍內還是包含了非常多的神經元，但是和20年前相比，這樣的成就已經是不可想像的，並且已經能為臨床提供一定的支持。我們還可以把神經刺激和神經成像結合起來，在對大腦施加刺激之後去做成像和測量，就能夠知道大腦在刺激之下會做出什麼反應，發出哪些信號。
NSR：在硬體方面，無創腦機接口的信號獲取方式有大的進展嗎？
賀斌： 過去一些年中，頭皮電極沒有太大的發展。實驗室中，我們使用不是很美觀的電極帽。現在有些創新公司開發出了看上去非常漂亮的頭環產品，但是其中也沒有什麼新的技術，只是做了一些設計上的改進，讓消費者更容易接受。和軟體、計算方法上的進步相比，硬體上確實沒有根本性的變化。
賀斌（最左）和學生們在進行腦電控制機械臂的實驗。（照片由受訪者提供）
雙向腦機接口：調控大腦
NSR：您剛剛有講到雙向腦機接口，可以向大腦反饋觸覺信息，再來指導輸出，形成一個閉環。這方面的研究情況如何？
賀斌： 在有創腦機接口領域，這是最近的一個研究重點，許多實驗室都有相關的嘗試。有創腦機接口直接作用於大腦皮層，所以可以比較方便地向大腦反饋信號。無創腦機接口的研究者也想做類似的事情，但是相對來講並不容易，因為在新的無創神經刺激技術誕生之前，我們很難用可穿戴裝備來直接刺激特定的大腦區域。
NSR：廣義上來講，現在已經在醫療上有所應用的大腦刺激方法，應該也屬於反向的腦機接口？
賀斌：對，廣義上來講腦深部電刺激 （Deep Brain Stimulation，DBS） 也可以算是腦機接口的一部分。談到這裡的話，我想介紹我自己實驗室正在做的一個方向。以往的大腦刺激療法大多是用電或者磁的刺激。我們在嘗試用無創的方法，用超聲信號刺激大腦，達到調控或治療的效果。傳統的電磁刺激有一個局限，根據泊松方程和麥克斯韋方程組，電磁刺激會遇到容積傳導 （volume conduction） 的問題，這使得無創電磁刺激很難完全聚焦。但是超聲沒有這個問題，它可以非常聚焦地打在大腦中的特定位置上，並且同樣可以到達深腦。如果最終能夠研發出產品，雖然超聲刺激的效果可能比不上DBS，但它可以成為一種無創的臨床選擇。
NSR：現在似乎已經有用超聲做大腦損傷的醫療儀器，你們想做的是更精確的調控，而不是直接破壞大腦？
賀斌： 對，是這樣。現在不只是我的實驗室，好幾個國家的不少實驗室也在做這樣的努力。我個人認為這是很有前景的一個方向。
腦機接口與神經科學
NSR：腦機接口和神經科學都以大腦為研究對象，但是在無創腦機接口方面，神經科學能夠做出的貢獻似乎有限？
賀斌： 相對來講，有創腦機接口和神經科學之間的聯繫會更加緊密一些，因為它們都要對神經元和大腦做比較細緻的操作，二者之間有很多共享的實驗技術手段。但我想對於整個腦機接口技術的長期發展來說，神經科學、計算科學、材料科學等等都是不可或缺的。
NSR：在腦機接口領域，非人靈長類動物的應用情況如何？在應用於人類之前，是否需要在猴子上做實驗？
賀斌： 在用意識操縱機器方面，有創的研究者會在猴子身上做一部分實驗，因為要在人的大腦中植入電極還是比較複雜的事情。但是對於無創來說，我們通常還是直接進行人體實驗的，用猴子來做行為實驗反而難得多，效果也不好，因為猴子很難配合實驗操作，要給它戴上電極帽，讓它理解你的實驗目的並配合實驗都不容易。我在明尼蘇達大學的時候做過類似的嘗試，確實很難。
當然如果我們要做反向的腦機接口，用外界信號調控大腦，從動物實驗 （包括但不限於猴子） 開始是很自然的選擇。
展望：腦機接口的發展方向
NSR：腦機接口領域中，將會產生突破的重點研究方向是什麼？
賀斌： 在有創腦機接口領域，閉環的腦機接口是許多實驗室目前的研究重點。作為旁觀者，我認為這是可能在5到10年內產生重要成果的方向。
在無創方面，腦電信號的分析方法一定還會提高。此外，我認為我們不能只做計算，實驗是非常重要的。我們一定要把算法用在實際的實驗中，做出更貼近實際生活的工作和產品，才能真正推動這一領域的進步。
要做出真正造福人類的技術和產品，我們還需要更多年輕人進入腦機接口領域。這是一個多學科的領域，無論有創還是無創，我們都需要神經科學、工程學, 計算科學、材料科學等各個學科背景的人才。
NSR：中國腦機接口領域的研究進展如何？
賀斌：中國在腦機接口領域做了很多工作，相關的研究者也很多。其中做得比較有特色的，一是清華大學的團隊，他們在基於SSVEP （穩態視覺誘發電位） 的無創腦機接口方面做得十分出色，是國際上做得比較早，並且實力領先的；二是浙江大學的團隊，他們在有創腦機接口領域做了比較多、也非常有特色的工作。其他的中國團隊還有很多，但這兩個應該是其中最有特色的。
20年內，腦機接口走進患者生活？
NSR：現在有很多創新公司和投資人都關注腦機接口領域，您也創辦了自己的公司嗎？
賀斌： 我還是比較專注在實驗室研究上的。我不敢說將來會怎樣，但是目前我還沒有開公司或者積極投身於腦機接口的商業化應用。
NSR：您覺得埃隆·馬斯克Neuralink公司的技術有前景嗎？
賀斌： 如果新聞報導準確的話，我認為 Neuralink 在技術上是一個重大的突破，和目前高校實驗室中的技術相比，它的技術水平前進了一大步。在未來，這種技術是可能應用在癲癇病人等患者身上的。對於這些必須接受手術治療的患者，Neuralink 的技術可能成為比現有技術更優秀的選擇。但我還是認為，在普通大眾身上，有創的技術是很難推廣的，不管電極多細。無創的腦機接口技術會有更大應用前景。
NSR：在腦機接口的實際應用中，還會遇到一些倫理上的問題。
賀斌： 沒錯，現在在美國已經有很多關於腦機接口倫理問題的討論。一方面，如果要對人腦做神經調控，一定會面臨隱私等問題。另一方面，所有針對大腦的有創技術都面臨倫理問題，如何評價它對人體造成的損害，在什麼情況下才能將有創手段用於人體，都是需要進一步討論的。
NSR：您覺得在20年後，腦機接口會在哪些方面實際改變人們的生活？
賀斌： 在腦機接口領域，基本上每5年就會有一個比較大的進展。20年後，最主要的應用應該還是在醫學領域。20年後，腦控的假肢、腦控的輪椅、腦控的機械手都可能已經走進殘疾或癱瘓病人的生活。利用這些腦機接口設備，他們不依賴他人就可以自由行動、自己吃東西、自己控制房間中的電器等等。現在，這一類設備的原型機已經在實驗室中出現，但是要把這些技術變得更加可靠、更加穩定，能夠真正運用到實際生活中，還需要一段時間。可喜的是，目前許多科學家、政府和私人投資都很關注相關領域，所以我認為在20年的時間內，腦機接口技術進入日常生活的可能性還是很高的。
當然，我們不可能用腦機接口去做所有的事情，正常人可以用腦控設備提高生活質量，但是不需要用機械臂來吃飯。只有那些我們用其他方法不容易實現，但是可以通過腦機接口用意念控制來實現的事情，才是最適合腦機接口產品發展的方向。在腦機接口產業發展的過程中，社會期望和實際產品效果之間會有一個磨合的過程，最後達到平衡。
NSR執行主編蒲慕明參與了訪談。
本文英文原文於2019年10月12日在線發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR ），原標題為「Progress in the brain–computer interface: an interview with Bin He」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。