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「腦機接口」的腦洞，還能怎樣大開？
前段時間，科技狂人 Elon Musk 現場展示了 Neuralink 最新進展，和他的三只小豬一起沖上熱搜。有人說這才是前沿科技，大呼一個全新時代要開始了；也有人說這便是霍金所說的外星人，馬斯克也只是高配版賈躍亭罷了。
其實，在此起彼伏的褒貶聲中，小朋友們有很多問號，比如：
植入了以后如何充電？數據中斷怎么辦？
再比如：
更新換代或者損壞維修的時候又得取出來嗎？
可以看出，不少人將關注點放在腦機接口產品與大腦之間的關系是否穩定這一問題上，而這也是該領域研究人員一直以來想要做出的突破。
就在最近，一組美國加州大學舊金山分校（UCSF）威爾神經科學研究所的科學家經研究證明，癱瘓患者通過大腦活動控制電腦光標的過程可以通過機器學習做到，無需大量的再訓練。
UCSF 對此的描述是：
首個在癱瘓患者身上展示的“即插即用”腦機接口。
看來，腦機接口真能“即插即用”了。
這項研究于 2020 年 9 月 7 日發表于知名學術期刊 Nature Biotechnology，題為 Plug-and-play control of a brain–computer interface through neural map stabilization（基于神經地圖的穩定腦機接口即插即用控制）。
借助腦機接口恢復癱瘓患者運動能力、還原神經性疾病患者語音能力的報道已經屢見不鮮了，但阻礙腦機接口實際應用的一大局限便是可靠性。
想象一下，一款產品每天都要重新設置和校準，還不能進入大腦的自然學習過程，就像一個人一生中每次騎自行車都要從頭學起。
為此，研究團隊的目標很明確：開發出一種無需重新校準而保持產品性能穩定的腦機接口技術。
上圖展示的是一個 ECoG 電極陣列，ECoG 全稱是 electrocorticogram，指「皮層腦電圖」，即顱內的腦電圖掃描。這是一種侵入的方式，植入電極、將電極直接置于大腦的暴露表面，從而記錄大腦皮層的電信號，不論是手術環境還是術外環境均可使用。
一個 ECoG 陣列包括一塊電極，大小就像是一張便利貼，手術中它可以放置在患者大腦表面。
ECoG 電極陣列能夠長期、穩定地記錄神經活動，并已被批準用于癲癇患者的疾病發作監測。
據 UCSF 官方介紹，此前腦機接口技術使用的是一種「針式電極陣列」，這種陣列可以穿透腦組織、獲得更敏感的記錄。但其缺點就在于：
隨著時間推移，信號往往會轉移或丟失。
電極穿透腦組織時，免疫系統會進行排異。
可以說，ECoG 陣列雖然比傳統植入物的敏感度低，但其長期穩定性似乎彌補了這一缺陷。
研究中，團隊向癱瘓患者大腦長期引入了 128 慢性皮層腦電圖（ECoG）植入物，從而穩定監測信號。
據悉，研究團隊在此之前已經獲得了在癱瘓患者腦中長期植入 ECoG 陣列的調查性器械批準，這一做法也是在測試 ECoG 陣列作為長期、穩定的腦機接口植入物是否安全有效。
基于已植入的 ECoG 陣列，研究人員嘗試讓癱瘓患者控制假肢和自己的手，結果是：患者可以借助植入物來控制屏幕上的光標。
此外，團隊開發了一種腦機接口算法，利用機器學習將 ECoG 電極記錄的大腦活動與用戶預期的光標移動相匹配。
最初，研究人員每天遵循重置算法的標準做法，同時患者看著屏幕上移動的光標，想象脖子和手腕會做出的動作。慢慢地，計算機算法會自我更新，光標運動與由此產生的大腦活動相匹配。值得一提的是，大腦信號和機器學習增強算法之間持續相互作用，性能在較長的一段時間內都并未降低。
據 UCSF 介紹，在沒有再訓練的 44 天里，腦機接口的性能沒有下降，患者甚至是連續幾天不練習也保持住著此前的表現。
這背后的原理則是，長期閉環解碼器能實現自適應，其中解碼器權重可在多天內跨多個會話進行，因此實現了神經地圖的合并和所謂的“即插即用”（原文是 plug-and-play）。不僅如此，控制特性（指長期維度堆疊）還會有所增加。
隨著時間的推移，患者大腦能夠放大神經活動模式，從而有效地推動人工接口通過 ECoG 陣列消除效率低的信號，而這一過程正如大腦學習復雜任務的過程那樣。
不難看出，研究團隊通過穩定的信號監測，讓大腦和機器學習系統隨著時間的推移建立了穩定的“伙伴關系”。
因此，研究團隊表示：
設計出一種不會被束縛手腳的技術，切實改善癱瘓患者的日常生活，是我們一直以來希望看到的。實驗數據表明，基于 ECoG 的腦機接口可能正是這種技術的基礎。通過利用 ECoG 接口的穩定性和神經可塑性，我們為可靠、穩定的腦機接口控制貢獻了一條思路。讓人工學習系統適應大腦復雜的長期學習模式，是以前從未在癱瘓患者身上嘗試過的。
就未來的研究方向而言，論文作者之一、威爾神經科學研究所神經病學副教授 Karunesh Ganguly 博士表示：
我們下一階段研究的關鍵目標是探索 ECoG 陣列對于更復雜的機器人系統（包括假肢）的長期控制。
上文提到，這項研究來自于美國加州大學舊金山分校威爾神經科學研究所。
在威爾神經科學研究所官網首頁，有一句顯眼的標語：
努力解決與人腦相關的問題，減少神經和精神疾病的痛苦。
該研究所設有：
神經病學、精神病學和神經外科三大部門，同時關注病人護理和相關研究。
一個神經系統科學研究生項目，這一項目是一個由 UCSF 17 個基礎科學和臨床部門近 100 名教員組成的跨學科聯盟。
UCSF 神經退行性疾病研究所，這是一個多學科研究中心，致力于尋找有效治療阿爾茨海默氏病、額顳癡呆、帕金森氏病等神經退行性疾病的方法。
其中，威爾神經科學研究所神經病學副教授 Karunesh Ganguly 博士也參與了這項研究。
Karunesh Ganguly 博士曾獲斯坦福大學化學學士學位、加州大學圣地亞哥分校醫學博士學位（神經科學），并榮獲科學家和工程師總統早期職業獎（PECASE）。
引用來源：
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0662-5
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