本次專業(yè)解讀，我們邀請(qǐng)到了中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦研究所，腦機(jī)智能融合技術(shù)實(shí)驗(yàn)室PI，正高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師李驍健老師。

李驍健老師是國(guó)內(nèi)腦機(jī)智能融合技術(shù)的重要人物，長(zhǎng)期身體力行地推廣腦機(jī)接口技術(shù)。本次專家解讀，李老師和和陸王天宇博士就腦機(jī)智能融合的硬件發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、算法及軟件的開發(fā)、多模態(tài)研究方式、科技落地和領(lǐng)域宣傳方面，展開了深入又不失趣味的討論。

專家訪談

小麓：您有化工、生物物理、生理學(xué)和電子工程等研究背景，是全面的神經(jīng)工程學(xué)家，之前和現(xiàn)在都主要做哪些方面的研究呢？

李驍健：研究生階段就開始研究神經(jīng)電生理、視覺(jué)信息加工，早期制作的玻璃絕緣鎢絲微電極，應(yīng)用在很多實(shí)驗(yàn)室。

博士后留美期間師從“聰明鼠”之父錢卓教授。錢卓教授在1999年突破性地創(chuàng)造了“聰明鼠”，被《科學(xué)》雜志列為當(dāng)年十大科技成果之一。

■? 聰明鼠

聰明鼠“杜奇”（Doogie）在美國(guó)普林斯頓大學(xué)的分子生物實(shí)驗(yàn)室誕生。他們擁有同類小鼠無(wú)法比擬的智力：They're learning things much better and remembering longer. They're smarter.

李驍健：在錢卓教授實(shí)驗(yàn)室主要做神經(jīng)解碼工作，實(shí)驗(yàn)室有當(dāng)時(shí)世界上唯一一套1024道系統(tǒng)：兩個(gè)兩米來(lái)高的大機(jī)柜，一面墻12臺(tái)顯示器，4臺(tái)主機(jī)。

現(xiàn)在我們研發(fā)的1024道的高通量神經(jīng)信息獲取系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)并行的板上神經(jīng)信號(hào)處理功能，卻只有手掌那么大了。

李驍健：馬斯克NeuraLink裝置屬于腦機(jī)接口前端技術(shù)。柔性電極陣列、神經(jīng)芯片、電池和通訊線圈集成一體，做到了微型化，體現(xiàn)了微電子和微納加工技術(shù)的發(fā)展。

神經(jīng)界面材料領(lǐng)域在意神經(jīng)植入物的異質(zhì)性和機(jī)械適配性。FDA認(rèn)證的高密度猶他陣列，是需要?dú)忮N錘進(jìn)腦里，微電極是硬針，而腦組織很軟，膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)來(lái)保護(hù)，就不能保持長(zhǎng)時(shí)間采集。

傳感器部分是最前端的，如果采集信號(hào)不好，信噪比不高，不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集的話，數(shù)據(jù)源不好會(huì)導(dǎo)致之后的研究不好進(jìn)行。

而柔性電極植入物和腦組織可能共融共生，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定信號(hào)讀出和寫入，獲得好的數(shù)據(jù)是高效神經(jīng)解碼的前提。

去年NeuraLink展示腦機(jī)接口裝置時(shí)對(duì)比了現(xiàn)有的采用猶他陣列的腦機(jī)接口裝置，有兩大塊硬件暴露在腦外。這可以在實(shí)驗(yàn)室做研究用，但日常應(yīng)用是不方便的。而到了今年，用上了微型化芯片，且實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通訊。我們可以看到馬斯克的展示是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，比如展示了植入的小豬，植入又取出裝置的小豬。這些展示都是現(xiàn)在醫(yī)療上對(duì)醫(yī)療器械的要求，就是要以柔性電極加無(wú)線傳輸替代猶他電極陣列加有線采集。

這種設(shè)備帶來(lái)的好處是，會(huì)有更多病患志愿者愿意嘗試，大幅擴(kuò)增用于腦疾病分析的神經(jīng)信息數(shù)據(jù)源，對(duì)人的神經(jīng)解碼、智能理解的研究也會(huì)有很大促進(jìn)。

陸王天宇：這個(gè)倒是讓我想起來(lái)，馬斯克做特斯拉的時(shí)候，他直接就把特斯拉的自動(dòng)駕駛的功能投放到那些車上，就相當(dāng)于他的訓(xùn)練樣本瞬間比其他所有公司都多，而且每時(shí)每刻的增量的數(shù)據(jù)也比別人多，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域很快就彎道超車了。數(shù)據(jù)還是很關(guān)鍵的一個(gè)基礎(chǔ)。

我看馬斯克在這次的發(fā)布會(huì)上對(duì)這次數(shù)據(jù)量大了之后，應(yīng)當(dāng)會(huì)有軟件，包括代碼，各種數(shù)據(jù)處理的方法。好多人也在評(píng)論，他對(duì)這些展示的不多，怎么分析的數(shù)據(jù)其實(shí)也沒(méi)發(fā)布。

李驍健：現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題提的有點(diǎn)早了，馬斯克主要展示裝置，申請(qǐng)了創(chuàng)新型醫(yī)療器械，主要實(shí)現(xiàn)高通量采集。

解碼方面，一個(gè)神經(jīng)脈沖源胞外的有效傳播范圍在150微米左右，目前我們做的多通道電生理數(shù)據(jù)分析手段是設(shè)置閾值（根據(jù)噪聲水平動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值）做脈沖探測(cè)。

一般通過(guò)擴(kuò)大數(shù)據(jù)信號(hào)源、增多通道的方法，根據(jù)神經(jīng)元群體編碼理論，信息是容易抽提的，可以降低數(shù)據(jù)處理的壓力。

需要獲得更多神經(jīng)信息的話，既要往深挖，也要往廣度拓展。

植入物如果是針狀電極、猶他電極、NeuraLink電極植入的覆蓋范圍都比較小，普遍小于1厘米見(jiàn)方；ECoG的植入范圍能有5到10厘米見(jiàn)方，擴(kuò)大信號(hào)源范圍也是解碼的途徑。相對(duì)于ECoG，micro-ECoG皮層腦電圖有更密更小的電極。

■? ECoG

皮層腦電圖（ECoG）是一種電生理監(jiān)測(cè)，它使用直接放置在大腦裸露表面上的電極。ECoG是研究大腦的有前途的技術(shù)，ECoG信號(hào)可用于控制腦機(jī)接口。進(jìn)步使得可以同時(shí)記錄越來(lái)越多的更小且更緊密間隔的電極。但是，從大腦外部進(jìn)行電記錄的一個(gè)特性是，普通信號(hào)出現(xiàn)在不同位置的不同電極上，這影響了有關(guān)如何最佳分配有限數(shù)量的電極以最大化可收集信息的決策。

事實(shí)證明，在大腦表面上相距約1厘米的大間距電極可用于臨床和研究，但是從較小區(qū)域中更多位置進(jìn)行錄制有多大好處還有待回答。我們發(fā)現(xiàn)，由于存在于多個(gè)電極位置的大腦活動(dòng)的不同模式的組合，我們可以解釋不同位置之間的共性，并且從非常緊密間隔的電極（相距約一毫米或更短的距離）記錄的信號(hào)能夠識(shí)別這種規(guī)模的模式。

李驍健：數(shù)據(jù)豐富度高了以后，數(shù)據(jù)處理要求的精細(xì)度也相對(duì)降低了，整個(gè)流程變得方便了，信息的分析效果相當(dāng)于魯棒性增強(qiáng)，就簡(jiǎn)化了算法。

如果從實(shí)用性來(lái)講，比如作為醫(yī)療器械的腦機(jī)接口，最成熟的就是控制類人機(jī)械臂。這時(shí)神經(jīng)信號(hào)需要實(shí)時(shí)處理。因?yàn)殡姌O植入并且記錄的神經(jīng)元未必是和控制手臂高度相關(guān)的神經(jīng)元，這相當(dāng)于要重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，才能逐漸掌握控制機(jī)械手。

任何訓(xùn)練都需要反饋，無(wú)論機(jī)器學(xué)習(xí)還是神經(jīng)學(xué)習(xí)。機(jī)械響應(yīng)慢的話無(wú)法完全認(rèn)為是反饋，不能形成閉環(huán)。運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口交互學(xué)習(xí)必須要形成閉環(huán)，所以高性能的腦機(jī)接口需要高速的神經(jīng)信息處理能力，也包括機(jī)械的響應(yīng)。

陸王天宇：像這種學(xué)習(xí)，把腦波和對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂的控制，本身形成一個(gè)映射關(guān)系，這種映射關(guān)系基本上都是用深入學(xué)習(xí)做的。算法本身是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后快速學(xué)了這個(gè)關(guān)系，使得數(shù)據(jù)的處理流程盡可能簡(jiǎn)單，那效果就會(huì)越好。

李驍健：不同的神經(jīng)界面形式，比如植入的電極陣列和ECoG的信號(hào)源不一樣，算法處理上有一定差別。

機(jī)器學(xué)習(xí)沒(méi)有人學(xué)習(xí)快，因?yàn)樾盘?hào)源維度的關(guān)系，ECoG學(xué)習(xí)速度會(huì)比刺入式針狀的能記錄到神經(jīng)元水平的要慢。人植入猶他電極，學(xué)習(xí)一個(gè)任務(wù)往往半天就行，人訓(xùn)練自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較快，精度也比較高。植入?yún)^(qū)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元的基本性質(zhì)比較清楚，神經(jīng)信號(hào)降維，如做主成分分析，用線性解碼器解碼往往夠用了。

ECoG需要更多的神經(jīng)元訓(xùn)練得到明顯群體效果，才能在ECoG上反映出來(lái)。

不同傳感器類型做神經(jīng)解碼的方式會(huì)有較大的差異，涉及到軟硬件的整合優(yōu)化。從腦組織外采集神經(jīng)信息，深刻性有所降低，但是信息收集面比較廣。神經(jīng)信號(hào)源的差異會(huì)使神經(jīng)解碼在算法上各有側(cè)重，在反饋和學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方式也會(huì)有不同。神經(jīng)信息的處理方法會(huì)呈現(xiàn)百花齊放的局面。

腦機(jī)接口的關(guān)鍵問(wèn)題就是互學(xué)習(xí)，一是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，二是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。

一般不拿小鼠做腦機(jī)接口，因?yàn)樾∈髮W(xué)習(xí)能力較差。而人有高性能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，重組能力強(qiáng)，學(xué)習(xí)效能高。?

陸王天宇：我們因?yàn)樵谧鑫覀冏约涸陂_發(fā)了一個(gè)spike sorting的工具軟件，領(lǐng)域里比較早出現(xiàn)的工具，甚至是為了滿足20年前的科研需求而形成的工具。

最近相關(guān)軟件、工具好像看到的比較少了，您是怎么樣去看待這個(gè)問(wèn)題的？這種工具怎么樣去更好的擴(kuò)展到其他單位？

李驍健：猶他電極能記上百道，每個(gè)尖端一個(gè)觸點(diǎn)間距比較開，不能形成多點(diǎn)共同探測(cè)信號(hào)源；NeuraLink的高密度柔性電極陣列，一根電極有很多串行排列的探測(cè)點(diǎn)，多根排列會(huì)有立體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息，電極陣列排布幾何結(jié)構(gòu)不同，采集的神經(jīng)組織的信息也不大相同。

采集神經(jīng)信號(hào)方式和方法的變化、創(chuàng)新，會(huì)伴隨著對(duì)應(yīng)神經(jīng)信息和數(shù)據(jù)處理的個(gè)性化發(fā)展。

陸王天宇：那我們暢想一下，如果NeuraLink硬件基礎(chǔ)賣給各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，之后將出現(xiàn)相關(guān)的通用工具。

李驍健：用這種高通量設(shè)備采集到大量數(shù)據(jù)，才有新的分析方法、解碼算法的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)多的話一定會(huì)找到好的分析方法，這是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型研究。

陸王天宇：所以有了好的前端設(shè)備，數(shù)據(jù)會(huì)更豐富，這樣的設(shè)備也可以用在更多個(gè)體上。

腦機(jī)接口的硬件設(shè)備用獼猴做實(shí)驗(yàn)，是不是一個(gè)好的方向。

李驍健：非人靈長(zhǎng)類資源豐富會(huì)是中國(guó)腦計(jì)劃的很大優(yōu)勢(shì)。比如轉(zhuǎn)基因猴子“中中”“華華”等成果。

以前國(guó)內(nèi)主要做eeg腦機(jī)接口，優(yōu)點(diǎn)是低風(fēng)險(xiǎn)，基本無(wú)創(chuàng)，但是獲得的神經(jīng)信息比較有限，信號(hào)經(jīng)過(guò)了顱骨和頭皮剩的就很少了。神經(jīng)元軸突是有絕緣包被的，電脈沖信號(hào)在普通電解質(zhì)環(huán)境中只能傳遞一兩百微米，這是比較簡(jiǎn)單的生物物理原理。神經(jīng)元主要是靠神經(jīng)脈沖傳遞信息，所以說(shuō)高保真信息肯定要離神經(jīng)元近才能捕捉到，這就是植入式電極的基本原理。

因?yàn)楹锷窠?jīng)功能和人比較類似，用猴做實(shí)驗(yàn)，對(duì)植入腦機(jī)接口獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)，做神經(jīng)信息的分析解碼，研究神經(jīng)學(xué)習(xí)，搞清大腦智能產(chǎn)生的機(jī)制，探索腦疾病的治療，都有很大的幫助。通過(guò)分析非人靈長(zhǎng)類這種比較高智能的動(dòng)物，研究智能表現(xiàn)的神經(jīng)基礎(chǔ)，對(duì)類腦人工智能的發(fā)展都會(huì)有重大的促進(jìn)作用。

陸王天宇：主要數(shù)據(jù)源還在猴子上，在人身上應(yīng)用的數(shù)字不可能突然暴漲吧？

李驍健：雖然中國(guó)人口多，但是對(duì)腦植入式治療的接受度不高。這方面需要宣傳科普、更新觀念，闡述腦機(jī)接口的治療效果。

植入式腦機(jī)接口很重要的方面是研究高智能生物的神經(jīng)學(xué)習(xí)——為什么學(xué)的東西快，怎么學(xué)的。這塊用猴子研究比較理想。

植入式腦機(jī)接口應(yīng)用在醫(yī)療是一方面，如果設(shè)備通過(guò)FDA認(rèn)證，如果有更多患者志愿者愿意加入肯定對(duì)大腦的理解，腦智能的涌現(xiàn)，以及腦疾病的治療有很大幫助。

陸王天宇：神經(jīng)科學(xué)的數(shù)據(jù)越來(lái)越多元化、涉及到電信號(hào)、各種類型的圖像信號(hào)、外部行為學(xué)的數(shù)據(jù)等，這種多模態(tài)的數(shù)據(jù)目前主要是分開來(lái)分析的，您覺(jué)得把數(shù)據(jù)結(jié)合在一起去做分析，是否有前景？

李驍健：多模態(tài)信息是必然需要的模式，也涉及研究方式的進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整等。

Allen Institute大規(guī)模、系統(tǒng)化把腦組織的結(jié)構(gòu)功能做圖譜、解析出來(lái)，資料豐富，并形成了專門的數(shù)據(jù)格式。這不是作坊式的實(shí)驗(yàn)室能推動(dòng)的。

在任何一個(gè)時(shí)代發(fā)展的節(jié)點(diǎn)上一定需要有幾個(gè)關(guān)鍵投入，整合大家的愿望和思想，推動(dòng)一個(gè)完善的整合系統(tǒng)出來(lái)。

雖然從事這個(gè)領(lǐng)域的人都試圖推動(dòng)，但也要找到時(shí)間節(jié)點(diǎn)和機(jī)遇，促進(jìn)整體信息的整合。

也需要重要的、有影響力的人物發(fā)揮關(guān)鍵作用，比如Allen Institute的Paul Allen這樣的大富翁集合了大資本和大科學(xué)家。

同時(shí)每個(gè)科研工作者也需要努力科普和奔走，先形成合作的愿望和意圖。

陸王天宇：國(guó)內(nèi)主要是國(guó)家在推動(dòng)，個(gè)人方面，陳天橋?qū)θA山醫(yī)院有支持。

李驍健：所以要加強(qiáng)科普宣傳，讓人們意識(shí)到腦機(jī)接口對(duì)大家的未來(lái)生活會(huì)很有幫助。

陸王天宇：至少讓馬云投一投，（笑）馬云也挺熱衷公益的，但是對(duì)這塊可能認(rèn)知還不太多

李驍健：所以大家要多做公益多科普多宣傳科學(xué)。

小麓：之前有科研人員解讀馬斯克的落地轉(zhuǎn)化，認(rèn)為沒(méi)有新意。但您有不同看法，可以和我們說(shuō)說(shuō)嗎？

李驍健：技術(shù)從專業(yè)領(lǐng)域角度沒(méi)有太多可解讀的，是比較固定的套路。第一階段，首先要證明設(shè)備功能，用老鼠做演示；第二階段的目標(biāo)是要給人使用，就需要拿醫(yī)療注冊(cè)證、做安全測(cè)試，用豬做實(shí)驗(yàn)，證明安全有效；第三階段就是希望有患者志愿者愿意做嘗試，并推廣開。

腦機(jī)接口從上世紀(jì)六七十年代開始研究，近十幾二十年加速發(fā)展，尤其近十年成果大增，臨床使用技術(shù)趨于成熟，所以馬斯克可以投入產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

像SpaceX火箭能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，就是航天技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)程度，商業(yè)公司就可以接受比較成熟的技術(shù)。這和Allen 腦研究所是不同概念，腦研究所是純粹科學(xué)公益性的，而NeuraLink 是盈利的科技企業(yè)。

陸王天宇：“一體兩翼”科技落地是否要往臨床深入？

李驍健：植入式腦機(jī)接口需要一定的手術(shù)，哪怕是做很小的植入手術(shù)，也是三類醫(yī)療器械，必須要走醫(yī)療器械路線。

陸王天宇：哪些疾病適合落地，慢慢做大規(guī)模？

李驍健：精神疾病都是神經(jīng)出現(xiàn)的問(wèn)題，意識(shí)以物質(zhì)為基礎(chǔ)嘛。比如帕金森、老年癡呆是神經(jīng)退行性疾病，是神經(jīng)死了一些；很多精神疾病卻是神經(jīng)連錯(cuò)了。神經(jīng)調(diào)控就是介入式的治療手段了，需要有東西刺激神經(jīng)，讓神經(jīng)按想要的方式長(zhǎng)回來(lái)。神經(jīng)相關(guān)的疾病都可以嘗試用這種方式。但具體怎么調(diào)控還有待研究。腦機(jī)接口就是提供了一個(gè)直接的神經(jīng)介入治療的手段。

腦機(jī)接口目前最成熟的就是運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口了。給癱瘓病人把運(yùn)動(dòng)意圖信息讀出來(lái)，腦控機(jī)器人完成。

其他比如情緒腦機(jī)接口，比較麻煩，因?yàn)闆](méi)有明顯損傷可找，腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又復(fù)雜，可能需要多靶點(diǎn)協(xié)同調(diào)控的治療方案，通過(guò)哪幾個(gè)點(diǎn)可以調(diào)好是不確定的，這是之后需要深入探討的。

意圖運(yùn)動(dòng)方面，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)皮層在大腦皮層，顱骨打開就能看到。開個(gè)洞就能看到的，容易介入到，就先研究，研究的早，研究的就相對(duì)充分；情緒等演化的早，在深處的腦區(qū)，因探測(cè)手段受局限、研究方法上曾經(jīng)匱乏，研究就少一些。

嘉賓介紹

李驍健?博士

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院-深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院正高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師。

本科畢業(yè)于西北大學(xué)化學(xué)工程系，博士畢業(yè)于中科院生物物理所，曾先后在美國(guó)佐治亞醫(yī)學(xué)院和美國(guó)西北大學(xué)芬博格醫(yī)學(xué)院工作。

神經(jīng)科學(xué)方面的研究側(cè)重于神經(jīng)信息解碼和功能神經(jīng)環(huán)路解析。神經(jīng)技術(shù)方面包括研發(fā)高通量采集、檢測(cè)和分析神經(jīng)光電信息的儀器系統(tǒng)；發(fā)展基于納米技術(shù)的非遺傳操作神經(jīng)調(diào)控方法，以及研發(fā)柔性微納神經(jīng)界面器件；目前工作著重于神經(jīng)仿真計(jì)算與類腦器件設(shè)計(jì)等。

成果已發(fā)表在 Nature Biomedical Engineering、Nature Protocols、Nature Neuroscience、Nature Nanotechnology等多個(gè)學(xué)科的頂級(jí)期刊中，并受邀審稿。

研究方向

面向?qū)拵X機(jī)接口的神經(jīng)電子和神經(jīng)光子技術(shù)

面向神經(jīng)仿真和類腦計(jì)算的神經(jīng)環(huán)路解析和解碼技術(shù)

面向類人機(jī)器人的神經(jīng)擬態(tài)裝置和系統(tǒng)研發(fā)

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參考

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Joe_Z._Tsien

2. https://www.scientificamerican.com/article/making-smart-mice/

3. https://www.wired.com/1999/09/building-a-better-mouse-brain/

4.?Nicholas Rogers ?et al.,PLoS Computational Biology 2019,Correlation Structure in Micro-ECoG Recordings is Described by Spatially Coherent Components

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