“腦機(jī)接口未來發(fā)展將是怎樣？臨床應(yīng)用和商業(yè)落地有哪些切入點(diǎn)？腦機(jī)接口領(lǐng)域需要怎樣的人才？”

本次專業(yè)解讀我們很榮幸邀請到了從事腦接口研究多年的專家，來自杜克大學(xué)的劉冰博士。麓聯(lián)數(shù)據(jù)CEO陸王天宇博士和杜克大學(xué)的腦機(jī)接口專家劉冰博士，他們將結(jié)合NeuraLink發(fā)布會內(nèi)容，為大家解答以上問題。

1. 應(yīng)用現(xiàn)狀與實(shí)際落地

陸王天宇：我們看到馬斯克的愿景很高遠(yuǎn)，希望普通人的大腦都能裝上設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控汽車，存儲記憶等；相對近的目標(biāo)，他提到希望能治療疾病，比如聽覺視覺障礙、失憶、抑郁、癲癇、中風(fēng)等疾病。這里哪些方面是可行性比較高的，因?yàn)橐粋€公司總歸還是得往實(shí)際落地的方向去走，您覺得哪個離落地相對近一點(diǎn)？

劉冰：

腦機(jī)接口對于未來的可行性，我會把學(xué)術(shù)界和商業(yè)公司分開來說。

學(xué)術(shù)界

實(shí)際上腦機(jī)接口的最初開始很早，可能上世紀(jì)30，40年代就有人開始這方面的探索。但真正形成有影響力的，比較成功的應(yīng)用是到本世紀(jì)初，那么如果從本世紀(jì)初開始算，到現(xiàn)在其實(shí)已經(jīng)做了20多年了。

成果爆發(fā)在2002、2003到2010年這段時(shí)間，之后發(fā)展就相對于平緩一點(diǎn)，這里說的“發(fā)展平緩一點(diǎn)”，是指他們都在探索不同的東西，并不是說停止研究。

從可行性的角度來講，經(jīng)過這些年的發(fā)展，目前用腦信號控制機(jī)械臂相對成熟。

此外近幾年對語言的解碼也有大量研究結(jié)果發(fā)表；對情緒，抉擇等高級腦功能的調(diào)控也取得了一些進(jìn)展。

商業(yè)方面?

NeuraLink處在覺得腦機(jī)接口有前景，想從商業(yè)角度推進(jìn)的階段。

目前最有前景的方向也就是學(xué)術(shù)界做的最好的方向，包括腦機(jī)接口的假肢，潛在的語言交流，以及對運(yùn)動康復(fù)，運(yùn)動控制和精神類疾病的調(diào)控等方面。

實(shí)驗(yàn)室研究一個課題，一般有幾個人或者十幾個人，經(jīng)費(fèi)也是相對有限；而NeuraLink人力足、經(jīng)費(fèi)多，完全是另外一種模式。

科學(xué)家做事謹(jǐn)慎；商業(yè)公司偏重工程技術(shù)。如果單純把腦機(jī)接口應(yīng)用在一個人身上，那么應(yīng)用之前，還有很多理論問題需要往前推進(jìn)。

大量資金可以推動技術(shù)發(fā)展，但不能確保一定可以在短時(shí)間內(nèi)推動科學(xué)發(fā)展。

NeuraLink雖然在技術(shù)推進(jìn)上已經(jīng)做得很好，但在一些核心的理論上還需要突破，從發(fā)布會的角度來看，他們在這些方面展示的相對較少。

應(yīng)用實(shí)例

目前最價(jià)值、最有可能應(yīng)用的，應(yīng)該是截癱病人的腦控機(jī)械臂。

麻省總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital）已經(jīng)完成了幾十例病人的植入應(yīng)用；國內(nèi)的浙江大學(xué)也已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)一例病人植入。

腦機(jī)接口機(jī)構(gòu)BrainGate在2004年實(shí)現(xiàn)首例脊柱損傷癱瘓病人用植入式Utah陣列電極，并可以控制計(jì)算機(jī)。

BrainGate由布朗大學(xué) (Brown University)、凱斯西儲大學(xué) (Case Western Reserve University)、斯坦福大學(xué) (Stanford University)、麻省總醫(yī)院(Massachusetts General Hospital,MGH) 老兵醫(yī)院 (Providence VA Medical Center)聯(lián)合組成。

被試者是BrainGate一名25歲的男性（MN），曾在2001年受刀傷，橫斷了頸椎C3-C4之間的脊髓，導(dǎo)致了完全性四肢癱瘓。2004年6月植入電極陣列，術(shù)后恢復(fù)平穩(wěn)。BrainGate連續(xù)記錄了2004年7月至2005年4月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過對一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入U(xiǎn)tah電極，從而意念控制機(jī)械手臂的三維運(yùn)動完成進(jìn)食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運(yùn)動。

陸王天宇：能不能推論說，馬斯克NeuraLink如果往商業(yè)角度去做的話，把截癱病人的腦機(jī)接口使用量達(dá)到一個數(shù)量級上的提升？成為潛在的商業(yè)化的起點(diǎn)？

劉冰：對。截癱這方面應(yīng)用，比如說脊柱出現(xiàn)問題，當(dāng)大腦發(fā)出信號，但是身體不聽使喚，這樣一系列問題。

目前學(xué)術(shù)界可以做到在實(shí)驗(yàn)室中完成大腦信號對機(jī)械臂的控制。

但實(shí)際應(yīng)用中，整個腦機(jī)接口領(lǐng)域還存在幾個問題。

植入電極

其一是植入電極本身，目前生物性兼容性不是很好，而且植入的失誤失敗率也很高。

麻省總醫(yī)院現(xiàn)在給病人做的植入，大概有一半幾率是成功的（也就是可以記錄一段時(shí)間）。但這個成功率不是說100%成功或100%失敗，一般手術(shù)都很順利，但術(shù)后幾個月之后信號質(zhì)量就嚴(yán)重下降，相當(dāng)于植入的電極不會用太久，這種植入物本身是一個大的問題。

解碼

其二就是解碼，怎樣用采集的信號去做解碼，然后運(yùn)用它去做控制？

目前理論上的解碼方向，簡化了很多場景，在有控制和限制的實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的信號解碼。

但是出了實(shí)驗(yàn)室，在真實(shí)場景很復(fù)雜的背景下，要實(shí)現(xiàn)靈活控制的話非常難。如果控制不好的話，機(jī)械臂可能是非常危險(xiǎn)的。

小結(jié)

總而言之，從應(yīng)用上來講，實(shí)現(xiàn)一個很簡單的、最初步的一個商業(yè)化的產(chǎn)品是有可能的；但是和構(gòu)想中一樣，能取代自己的手臂、實(shí)現(xiàn)真正自主控制的機(jī)械臂，還有很長的路要走。

2.?科研與商業(yè)的互補(bǔ)關(guān)系

陸王天宇：我們也看到相關(guān)材料說，NeuraLink開始的重要契機(jī)是科研領(lǐng)域先推進(jìn)了電極材料的發(fā)展，能把高通量電極做成細(xì)絲，所以NeuraLink就能直接把科研的成果往商業(yè)化方面應(yīng)用。您覺得科研機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司這里的互補(bǔ)關(guān)系能夠有多強(qiáng)的發(fā)揮？

劉冰：能把電極做成柔性電極是材料科學(xué)上的一個進(jìn)展。

最近這些年柔性電極確實(shí)發(fā)展的很快，但是目前還存在一些問題。它的記錄效果相對于傳統(tǒng)的硬的電極并沒有那么好。

NeuraLink電極的記錄效果目前還不是特別清楚，具體的魯棒性、生物兼容性之類的細(xì)節(jié)，實(shí)際上并沒有展現(xiàn)出來，現(xiàn)在能看見的只有這次展示的非常短暫的數(shù)據(jù)。

科研機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司的互補(bǔ)性

針對您所說的互補(bǔ)問題，首先我認(rèn)為NeuraLink在推進(jìn)技術(shù)方面確實(shí)要比凡事都要一步一步推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室快很多。

如果NeuraLink能夠推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的話，絕對對科學(xué)界是一個巨大的推動。

更進(jìn)一步的說，如果他們的技術(shù)能夠降低成本推向科學(xué)界，我覺得會有很多人愿意買他們的東西。

用他們產(chǎn)品推進(jìn)科研，有了新的科研成果NeuraLink也可以使用，這樣相互促進(jìn)是再好不過的。也是集中力量辦大事，對吧？

隱憂

但另一方面，我覺得可能有很多小的實(shí)驗(yàn)室如果和NeuraLink做類似的研究，可能就被擠掉了。

像美國的實(shí)驗(yàn)室，有一個重要特點(diǎn)就是百花齊放。很小的實(shí)驗(yàn)室憑借自己的特色，依然能夠活下去。

但是科學(xué)界如果被NeuraLink這樣的大公司壟斷的話，可能會出很大的問題。

3.?經(jīng)費(fèi)投入與智力軟投入

陸王天宇：NeuraLink本身投資也就一點(diǎn)幾億美元，甚至不能算特別大。但它在這兩三年內(nèi)取得了這么多的進(jìn)展，比如說以前根本就不會出現(xiàn)3000多路的無線設(shè)備。

投資1億多美元就可以形成這么多的突破，其實(shí)還是挺夸張的一件事情。因?yàn)榈惯^來講，科研領(lǐng)域，支持的單位和投入的錢投的錢肯定比要高多了。您怎么看？

劉冰：具體經(jīng)費(fèi)的投入我不太清楚。NeuraLink技術(shù)上的成功不光是開發(fā)，還在于整合。

之前學(xué)界已經(jīng)有了很多技術(shù)上的突破，但是科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)室的曝光力度并不高；馬斯克開發(fā)會讓大家都了解到“原來還有這些厲害的技術(shù)”。

集中經(jīng)費(fèi)，整合成果

如果像以前一樣，研究成果分散在各個實(shí)驗(yàn)室，那么最終可能無法形成產(chǎn)品。

研究生或博后，在一個實(shí)驗(yàn)室可能花將近10年時(shí)間完成了某項(xiàng)研究的百分之七八十，然后這個研究生或博后畢業(yè)了或出站了，這個研究可能就擱置，沒有人再往下推了。這跟公司是完全不一樣的模式。

商業(yè)公司要兼顧更多細(xì)節(jié)，往盡善盡美的方向推進(jìn)，完成最后的百分之幾十。

所以我覺得NeuraLink在集中經(jīng)費(fèi)整合成果這方面做得特別的好。

智力軟投入

公司可以花很大的力氣做整合，但一個實(shí)驗(yàn)室只做整合不做創(chuàng)新可能是不太容易在學(xué)術(shù)界生存下去的。當(dāng)然全新的整合也可以是一種創(chuàng)新。

然后另外一方面，我覺得實(shí)驗(yàn)室更重要的意義是智力上的投入。

對這方面的投入實(shí)際上是什么？是很多地方是軟投入，只有大量地在探索中投入精力，持續(xù)認(rèn)真研究，才能夠推進(jìn)整個領(lǐng)域的往前走。

如果僅僅很有針對性的，只把很大的精力放在一件落地的事情上，有走偏、走錯的可能性。沒有理論基礎(chǔ)的推進(jìn)，應(yīng)用不可能走的遠(yuǎn)。

能夠產(chǎn)生NeuraLink這樣企業(yè)的先決因素是理論基礎(chǔ)扎實(shí)。如果沒有前期的20年的腦機(jī)接口的發(fā)展，不會有NeuraLink，如果沒有那么多植入的病人，不會有NeuraLink。

4.?短期追趕和彎道超車

陸王天宇：我們是否實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)追趕甚至彎道超車呢？目前主要差距在哪些方面，哪些方面是容易實(shí)現(xiàn)的呢？

劉冰：資金足夠的話，挑我們中國最聰明的人，挑各個方面最好的專家，成立一個NeuraLink這樣的公司。實(shí)現(xiàn)在人身上做植入，實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī)等技術(shù)，都是可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。但這可能并不是事情的關(guān)鍵。

現(xiàn)實(shí)差距

實(shí)際上我們在相關(guān)領(lǐng)域的積累相對薄弱，需要更多的發(fā)展，特別是在相關(guān)的基本的基礎(chǔ)科學(xué)上。

國外有許多聰明的科學(xué)家，一輩子都在認(rèn)認(rèn)真真地研究這一件事，一直在推進(jìn)軟性的理論基礎(chǔ)。像猶他電極在05、06年之前就在使用了；各種記錄系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)方案也都比較成熟了。

追趕空間

算法這方面來說，外國做得挺好，但是國內(nèi)要追趕是容易的。

其實(shí)很多方面咱們也不比國外差多少。比如A.I，頂級會議有一半都是華人的的文章。如果在其他的方向，也可以把A.I.結(jié)合起來，推動發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)方式

這方面可能需要國家在相關(guān)領(lǐng)域加大支持力度，需要更多的定期進(jìn)行專門的會議，專家們一起結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域最新研究進(jìn)展，交流和探討推進(jìn)方向。同時(shí)也可能需要商業(yè)資本的支持。

5.?數(shù)據(jù)解碼

陸王天宇：問您一個更具體的技術(shù)類問題。因?yàn)槲覀冊谧鯯pike Sorting軟件，發(fā)布會中有人質(zhì)疑關(guān)于解碼的部分太少。所以您覺得應(yīng)用Sorting去支持更深入的解碼，是不是必須的？

劉冰：我個人認(rèn)為目前NeuraLink的解碼效果可能跟Sorting關(guān)系不是特別大。所以從這個角度質(zhì)疑的話，我覺得沒有必要。

NeuraLink的解碼成果

Sorting本身是一個技術(shù)問題，這個技術(shù)是可以攻克的。

從發(fā)布會來看，NeuraLink對解碼方面可能不夠重視，不是體現(xiàn)在它沒有做Sorting，而是算法和數(shù)據(jù)沒有深入探究。如果NeuraLink想做，應(yīng)該也可以取得不錯的成果。

目前NeuraLink通過整合技術(shù)，確實(shí)摘到了低垂的果實(shí)。至于比較難的問題，我不知道他們是否去touch了，但學(xué)術(shù)界一直在研究相對比較難的問題。

群體解碼

至于Sorting的數(shù)據(jù)本身對于解碼會有多大影響？

去年Neuron上的一篇文章，在群體編碼（population coding）的角度解釋神經(jīng)元怎么編碼外部信息，僅靠單個神經(jīng)元的活動是很難解碼出正確的信息的。

所以目前對待具體的問題，Sorting不是必須的，但Sorting肯定會帶來一些好處，在研究某些問題的時(shí)候還是非常重要的。

陸王天宇：就有點(diǎn)像我們計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)。以前還需要做專門的特征提取，之后才能做分類器等一系列操作。現(xiàn)在實(shí)際上專門的特征提取都不用去做了，直接用分類器，整個的特征學(xué)習(xí)跟分類器一塊學(xué)習(xí)了。所以這方面邏輯上應(yīng)該是通的。

6.?交叉學(xué)科與人才整合

陸王天宇：現(xiàn)在好多的代碼github上都有，課題組也知道這些工具的存在，但受困于不會Python代碼等的問題，但是很難把這些工具用起來。您怎么看？

劉冰：?NeuraLink也在發(fā)布會上招聘人才，因?yàn)樯虡I(yè)推進(jìn)確實(shí)有一個難點(diǎn)：腦機(jī)接口的研究需要各個相關(guān)領(lǐng)域的人才一起推進(jìn)。

如果純粹只專注某一領(lǐng)域，比如擅長用計(jì)算機(jī)做算法或數(shù)據(jù)分析，但是沒有深入了解神經(jīng)方面的知識，做腦機(jī)接口的研究，可能很多想法會存在偏頗。

美國做腦機(jī)接口的研究人員包括醫(yī)生、工程師、神經(jīng)科學(xué)家，還有材料科學(xué)家等。研究的東西是非常寬泛的，實(shí)驗(yàn)室招的學(xué)生也各有所長，只有這樣結(jié)合在一起才可能有推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展。

7.?資金支持

陸王天宇：從國情出發(fā)的話，您覺得腦機(jī)接口未來發(fā)展著力點(diǎn)應(yīng)該放在什么地方？

劉冰：首先是認(rèn)證。如果今天我們僅限于就是植入式腦機(jī)接口的話，需要有FDA、CFDA（國家食品藥品監(jiān)督管理總局）認(rèn)證，而且認(rèn)證本身的周期是很長的。

然后需要一些成功的病例做對外展示，開展后續(xù)合作。

著力點(diǎn)——非人靈長類（猴）實(shí)驗(yàn)

針對著力點(diǎn)這個問題。從國情出發(fā)，可以從開發(fā)自己的記錄系統(tǒng)、腦機(jī)接口界面等角度入手。

同時(shí)需要在理論基礎(chǔ)上投入大量的研究，特別是非人靈長類（猴）的植入式研究。蒲慕明院士在這方面的想法是很好的，因?yàn)樵诤飳?shí)驗(yàn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)，對腦機(jī)接口發(fā)展有真正的推進(jìn)意義

創(chuàng)業(yè)方向

如果在腦機(jī)接口方面創(chuàng)業(yè)的話，需要把最先進(jìn)的技術(shù)和最先進(jìn)的科學(xué)結(jié)合起來，要跟研究所、醫(yī)院合作，并在醫(yī)院執(zhí)行。

之前科研人員在腦機(jī)接口創(chuàng)業(yè)的過程中，可能更多是作為輔助角色。我認(rèn)為現(xiàn)在科研人員會起到更重要的作用。

創(chuàng)業(yè)還會有一個相對漫長的時(shí)期投入在基礎(chǔ)研究上，但也必須得有這樣的時(shí)期。

麓聯(lián)數(shù)據(jù)助力中國神經(jīng)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，致力于成為神經(jīng)科學(xué)研究的最佳支持者。

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參考

1.Hochberg et al., Nature 2006, Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia.

2.Trautmann et al., neuron 2019，Accurate Estimation of neural population dynamics without spike sorting

3.http://www.news.zju.edu.cn/2020/0117/c5216a1957263/page.htm

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