脑机接口技术在线视频

大家在这里看到的实际上是

我们大脑里面1000多亿个

神经细胞的一个

非常典型的放电

比如说像我现在在讲话的时候

实际上我的大脑里面

有成千上万的细胞

它们都会在发放着

一个一个的动作电位

这个动作电位

是我们思想的载体

我们如果有办法

把这些信息采集出来

那么通过计算机的分析的方法

你甚至可以知道我现在

脑子里想的什么

我下面要讲什么

这个全新的领域

我们把它叫做脑机接口

这个脑就是指我们的大脑

机是指计算机

也可以指轮椅

或者是家里面的家电

以前我们没有办法做到

说我心想事成

我想一想要开灯

这个灯就打开了

但是今天

有了这个脑机接口

技术的帮助

我们完全可以做到这一点

这个领域

它首先要有一个办法

能从我们的大脑里面

采集到这些神经细胞的

放电的活动

最理想的办法当然你

需要像这样

把一些非常精密的电极

放到大脑里面

这只有在临床条件下

做得到

那么这个领域的研究

最开始并不是这么做的

我们可以在像我们这样的

正常人的脑袋上

戴上一个脑电极帽

这样一个电极帽

表面都会有很多的金属片

这些金属片

相当于一个传感器

它可以把我们大脑表面的

非常微弱的这些信号

变化规律总结出来

比如说

我在想着动我的右手

你可以看到在我

大脑的左边中央

这个区域

你就会看到

非常强烈的电活动

我们以这个脑模型为例

我如果动我的右手的时候

或者我仅仅想一想

我右手运动的时候

你就看到在这片

红色的区域

有非常强的脑电的活动

即使这是一个完整的大脑

在大脑表面

我也可以采集到这样的活动

相反我如果动左手的话

右边的大脑这个区域

我们叫大脑的运动皮层

就会出现很强的脑电的活动

这个规律总结出来以后

我可以编出一个计算机的程序

通过分析这个大脑不同位置的

脑电的活动

我就可以猜出来

你现在是想动你的左手

还是右手

大家考虑一下

如果这件事能够做到的话

我就可以让一个残疾人

他自己坐在轮椅上

想一想

这个轮椅往左走 往右走

那么通过解读他的脑电信号

我们就可以控制轮椅

按他的想法

做到心想事成

今天实际上是在

2007年的时候

我们实验室就开始研究

这一套完整的

脑机接口的方法和体系

在那个时候我们做了一个

非常有趣的实验

就是我们学生戴着

我刚才说的

这个脑电帽

配上我们的程序

我们就可以让我们的两个学生

在控制两只机器狗

他们去踢一场脑控的

足球机器人的比赛

就像我们在画面里显示的这样

这样研究正是为了未来

把它变成一个残疾人的

辅助装置

残疾人可以坐在家里

坐在轮椅上

就可以自由地移动

当然在美国和欧洲

还有很多的科学家

他们也在试图得到更加

精细的大脑里面的信号

来做脑机接口这件事情

在一些重度残疾的病人上面

可以做临床的试验

或者临床前的实验

当然这需要人力的允许

像是高位截瘫的病人

他丧失了对所有肢体

运动功能的控制

甚至讲话也不行了

这个时候

我们就通过做一个手术

把这个微电极

放到这些病人的大脑的

我刚才讲的这个运动皮层

这些区域除了刚才我说

大脑表面能够检测到

这些模糊的脑电活动

但是刚才做的那些事情

只能控制机械狗

左 右 前 后

这样非常简单的运动

比如我现在想

拿起一杯水来

比如说我喝一下

这个动作里面包含的信息

是非常大的

脑电 特别是大脑表面的脑电

是做不到的

我们只有像美国和欧洲的

科学家做的那样

把脑袋打开

做一个手术

放上一个非常精密的

这个微电极的阵列

这个阵列大概有

100多个微针

这些微针把我们平时

控制我们手的精细运动的

这些神经细胞的点活动

全部提取出来

通过一个非常复杂的计算分析

实时地控制一个机械手

这个机械手就可以

帮助这些残疾人

拿起一杯水来

送到他的跟前

这个故事就像我们在画面上

显示的这样

一位50多岁的

已经瘫痪了3年多的病人

他第一次

用自己大脑里面

神经细胞的活动

控制一个机械手

帮自己喝到一口咖啡

当然这个研究是非常昂贵的

大概3个月

或者更长一点

6个月的时间

就会出现一个

非常麻烦的事情

就是这些埋在大脑里面的电极

因为是异物

那我们的神经胶质细胞

就是围绕着那些神经细胞的

营养细胞

它就会把电极包裹起来

这个包裹的效应

就使得我们

采集到的信号越来越差

直到有一天

整个系统的信号就采集不到了

我们整个所谓的控制假肢

整个脑机接口的事情

就做不成了

那么就是现在

在这种情况下

唯一的办法就是

我们要再做一次手术

把这个电极拿出来换一个新的

你想这个成本和手术的风险

都是非常大的

刚才我给大家介绍的是

两类 所谓脑和计算机

建立一个新的界面

帮助残疾人的技术

我们把它叫做

脑机接口技术

一个是没有任何创伤的

就是在我们实验室里

我们学生也可以做

另外一个是在临床上

需要神经外科大夫

植入这个微电极

这两个都有它的问题

前者信号不是很清楚

只能控制简单的

像轮椅的前后左右这样的事情

后者虽然这个控制非常精准

但是它面临着手术的风险

而且时间长了以后

这些电极都会失效

那么我们在想

有没有一个更好的办法

能够得到大脑里面

非常精准的信号

但是这个电极

又能够在脑袋里面

工作很长的时间

不会引起我们神经细胞的排斥

那大家可以想象

未来这个脑机接口的

这个技术就会真正

就像我们今天

比如说治疗帕金森病人那样

做一次手术

终身就可以实现这样的

运动辅助的功能

我们大脑里面如果有一群

神经细胞在放电的话

你可以用微电极记录到

你可以在大脑表面记录到

就像我们这屋子里边有一群人

每个人就是一个神经细胞

我们每个人的声音

就是我们神经放电

你要听得最清楚的话

你应该把这个麦克风放在

这个屋子里面 对吧

最好靠近每个人

就像这些细胞的放电

实际上都是我们用微电极

就像麦克风一样

把每一个人

说话的声音都采到了

所以我知道他要说什么

或者是这个神经细胞的放电

想说明什么

所以这种植入的脑机接口

是非常精准的

还有一种情况

就像我们这种麦克风放到

整个屋子的外面

那你能听到的肯定是

这个屋里头

很模糊的声音

除非里面有一大群的神经细胞

比如说他们在高呼

那么这个时候

你才能从外面听到这里面

发生了什么事情 对吧

而且是大概知道

里面发生了什么

在这两者之间

也可以有个中间的层次

相当于我们把这个屋子

打开一条门缝

我们把这个麦克风

从门缝里塞进来

这时候 我们尽量不去

打扰这屋里面所有的人

但是因为麦克风

已经伸进屋子里来

就可以听到更清晰的声音

为了减少这个影响和损伤

我尽量就放一个麦克风

就相当于只放个一个电极

当然要做手术

要做一个非常微创的手术

但是一旦做完这个手术以后

这个麦克风就可以

一直呆在这个屋子里面

就像这个电极

一直呆在大脑里面一样

它可以像DBS

或者OIE这样的神经

植入的设备一样

一辈子都在这里面工作

把这个信号源源不断地

送到大脑表面来

那么这样的技术

我们叫做颅内脑电

它非常的稳定

而且也很精准

实际上在

刚才我说的两种方法之间

找到了一个折中的办法

这个办法带来的手术创伤

也不是很大

这个信号长什么样呢

大家看这个画面

实际上它是一个

非常精细的神经信号的形式

随着时间的迁移

这个麦克风或者这个电极

进入到这一大群

神经细胞的活动

表现为这样 非常

看上去很漂亮的

彩色的波形

这个波形反映的是

我们的大脑活动的时间

和频率的信息

这些里面当然要

包含了我们思维的内容

比如说我现在想要说的话

或者我听到的声音

或者我看到的亮光

都可以从这样的

信号里边读出来

我们如果有磁共振

来去做对比研究的话

你会发现

大脑在活动的时候

或者是磁共振信号

和我们在这里所采用的

所谓颅内脑电的信号

有一定的关系

这说明这两者之间确实

反映的是一个共同的东西

我们可以看一看

我们怎么样用这样一套

这个颅内脑电的办法

来实现这样一个我说的

脑机接口

像霍金这样

他没有办法跟外面沟通

大家看到他现在只能

眨眨眼皮 对吧

随着这个

像这样的神经渐冻症的发展

到后面他甚至

连眨眼皮的能力都没有了

那么这个时候

需要一种完全靠他的

思维来驱动的脑机接口

或者一个打字的界面

他可以把自己的思想

通过这样的一个

脑机接口的系统

告诉大家

这个系统是怎么工作的呢

我们首先设计一个虚拟的键盘

这个键盘有6乘6

36个字符

包括我们的字母

数字 回车 空格这些键盘

但是我为了让我们的大脑

里面能够产生非常稳定的

对每一个键盘的独特的响应

我们让每一个字母或者数字

下面都有一个非常快的

数条移动过去

你不要小看快速移动的数条

它在我们大脑

某一个特定的位置

大概就在我的大脑

视觉处理的这个高级的位置

这个地方我们叫MT

一个区域呢就会采集到

一个非常强的信号

这个位置如果在

我们的大脑模型上看的话

应该是在这个位置

我们可以用一些移动的目标

在磁共振里面

把这个埋电极的位置找到

比如说我找到对于这个病人

他能够引起这种光移动的数条

他所激活的活动是在这里

加上我刚才说的这个

虚拟键盘的设计

我就可以猜出来

比如像霍金这样的

他要输入的字母

是ABCD的哪一个

经过这样一个

精心的设计和规划之后

这个系统就可以

实现打字的功能

那我们看一下

从临床实验里面

采集到的我们一个病人的

所谓的NT

我们叫它视觉运动区

它的信号是什么样子的

在这个画面上

我们能看到红色的一片

这个红色的一片

实际上是我们把它叫做

高频的颅内脑电的响应

它的频率是非常高

在60到140赫兹

在这个时刻

我们大脑的NT这个区域

一大群的神经细胞在活动

反过来你就可以推测出来

在这个时间点上

大概在两百到

四五百毫秒的时候

这个病人的眼前

一定出现了一个移动的光棒

这个移动的数条告诉我们

他现在注意力集中在

比如说字母A 或者B

我们有一套完整的

脑电信号处理

包括模式分裂方法

把刚才大家看到的

这些高频的信号的特征

变成字母

那么这里面

如果真的要把这样系统

利用到临床上去

来做一个完整的临床植入

包括病人的这个规划的系统

我们要解决好电极定位的问题

手术之前知道我们这个病人

他究竟他的视觉运动区

就是我们的NT区

究竟在什么位置

我们可能觉得很奇怪

是不是每个人的视觉运动

不都是在同样的地方吗

实际上我们每个人的大脑

都是很不一样的

总体上看

大的分区是一样的

但细节上有很多所谓

个性化的功能区的分布

特别是对那些残疾人

或者是病人

他们也许他的功能

运动 视觉 语言

都发生了一些错位

所以我们在做这样的

电极植入之前

首先要把病人

请到我们的影像中心来

让病人先做一个测试

看看他的视觉运动区

究竟在大脑什么位置

这里面包括了

非常精准的空间坐标XYZ

把这个空间坐标

我们再把它输入到

我们手术导航的系统里面去

那么这个外科大夫就可以在

比如说手术机器人

或者是一个手术的

框架系统里面

精确地知道

对于当前这个病人

应该把电极放在什么地方

才能够得到最好的

跟这个字母的光棒移动

有关系的这个信号

我们也做了一些临床前的研究

现在已经

已经出了整个这条技术路线

在合作的医院里边

已经能够帮助

我们这些病人实现

通过仅仅看着屏幕虚拟键盘

就能够把他想要说的话

想要打的字输入进去

现在我们来看一段视频

现在我们已经

研究到什么样的程度了