來源：DeepTech深科技
鋼鐵與肉體，虛擬與現實，鮮活的思想和冰冷的機器，諸如此類的人機共生畫面與賽博朋克情節，早已在科幻 " 教父 " 詹姆斯卡梅隆的系列大片中得到了淋漓盡致地展示。
幸運的是，這些刷新人類認知的 " 黑科技 " 并沒有止步于大熒幕，而是真的被科學家們一步步變成了現實。比如，2009 年上映的《阿凡達》主打的腦機接口技術，就于 2020 年 8 月被 " 硅谷鋼鐵俠 " 馬斯克搬上了新聞發布會，當眾宣布他的公司（Neuralink）成功在豬腦中植入了腦機接口芯片。此消息一出，立刻在全球引發了廣泛的關注與熱議。
當所有人都慨嘆馬斯克在腦機接口領域已經處于絕對領軍地位時，一個華人卻站出來說，" 我們已完成超過 15000 個小時的人體植入和實驗，推進速度遠超馬斯克。"
圖 | 受試者用思想靈活控制假肢
這個人就是楊知，本科就讀于浙江大學，后又前往加州大學圣克魯斯分校攻讀電氣工程學碩士與博士學位，師從劉文泰（Wentai Liu）教授。現任美國明尼蘇達大學雙城分校生物醫學工程系副教授。
圖 | 實驗性人體研究受試者（左）；楊知（右）
與馬斯克 Neuralink 所采用的在大腦中植入微電極陣列并進行皮層解碼不同的是，楊知團隊研發的新一代生物電神經接口技術平臺，是通過外周神經通路在人的思想與機器之間建立新的信息管道，從而讓截肢者能真正靈巧而直觀地控制假肢。試驗結果表明，這一技術能夠更加準確地理解人體神經系統中的信號，因而有可能成為未來人機共生的基礎。
" 我認為，這一研究成果是腦科學技術領域的一個里程碑式突破，特別是讓一個失去手的人與假肢真正融合為一體，做到‘所想即所得’。" 楊知十分自信地表示。
該研究成果于 2020 年 10 月 22 日發表在《神經工程雜志》（Journal of Neural Engineering），標題為《面向截肢者的生物電神經接口，可實現直觀的假肢控制》（A bioelectric neural interface towards intuitive prosthetic control for amputees）。
圖 | 相關論文（來源：Journal of Neural Engineering）
共同第一作者為明尼蘇達大學生物醫學工程系的 Anh Tuan Nguyen 和 Jian Xu。通信作者為楊知和 Fasikl 公司的聯合創始人 Edward W. Keefer。
如何做到思想靈活控制假肢？
據介紹，該技術平臺包括三個組成部分：植入式束內微電極，神經芯片組，和人工智能（AI）解碼器。具體來說，就是研究人員首先根據截肢殘疾人的情況確定電極數量，目標神經，和手術方案。比如最近的一個病例，該團隊使用顯微外科束狀靶向法技術（FAST）將縱向束狀內電極（LIFE Electrodes）植入截肢者的正中神經和尺神經中，形成與單個神經束的接口。
通過超低噪聲的神經芯片組來記錄極微弱的神經電圖。然后由人工智能模型通過循環神經網絡（RNN）來解碼神經電圖，從而掌握受試者的想法。該平臺理論上可以將人的的思想和外界機器連接起來，比如讓殘疾人控制一個假肢，又或是一臺電腦。
圖 | 新一代生物電神經接口示意圖（來源：Journal of Neural Engineering）
其硬件系統包括完全集成的 Neuronix 小型前端記錄器。它由兩個子單元組成：頭部件和輔助部件，通過柔性線路連接；其植入的微電極陣列中，每個陣列由四個袖帶觸點、一個束內柄和十個間隔為 0.5mm 的縱向束內電極觸點組成。該設計旨在記錄來自單軸突和神經元群體的神經電圖。
圖 | 實驗范式和硬件組件（來源：Journal of Neural Engineering）
在一個實驗中，德州大學西南醫學院的神經外科醫生 Jonathan Cheng 為一位經橈骨截肢患者植入了四個縱向束狀內電極陣列，其中兩個位于正中神經，另外兩個位于尺神經。這樣的設計和手術方案是為了能更好的，有區別性的采集和調控神經電圖中的運動控制信號和本體感受信號。
為驗證人腦對假肢的控制效果，該團隊采用鏡像雙邊訓練法，即要求患者用能動的手執行各種手勢，同時讓患者腦中想象讓受傷的手也執行相同的動作。受傷的手的神經電圖是從微電極上獲取，而健全的手的運動會被數據手套捕獲。
基于深度學習的 AI 模型則負責處理這些數據，包括預處理程序和神經電圖解碼。在這項工作中，解碼有離線和在線兩種模式，分別用于測量系統帶寬和評估實際神經解碼結果。
研究發現，該平臺能從神經系統中獲取大量的信息，且帶寬超乎想象，以至于能讓殘疾人用自由意志來控制假肢。并且，該平臺還支持雙向交流，除了可以讀取人腦的信號以外，還可以通過精密的微電刺激向神經系統寫入信號，從而讓殘疾人對機械手產生接近自然的感覺。目前殘疾人能夠執行高達 15 自由度（DOF）的動作，包括五個手指的彎曲 / 伸展和外展 / 內收運動，實現靈巧地控制機械手。
這種腦機接口到底強在哪里？
楊知表示，目前市場上的絕大部分腦機接口都是無創的，在皮膚以外或者貼著皮膚。但就像隔著墻壁拍照一樣，哪怕用紅外照相機也很難拍清楚，通過無創的方法很難拿到高質量的腦信號。
這些無創的腦機接口分兩類。一類是基于腦信號，提前設定幾個選項，再由腦信號來激活其中的某個選項。所以目前基于腦信號的假肢只能執行有限的動作，達到 3-4 個自由度。
另一類在嚴格意義上并不是基于腦信號。例如 Facebook 收購的 CTRL-labs 其實是基于體表肌電信號（EMG）。還有其他也聲稱是腦機接口的產品其實是基于眼球、舌頭及身體各部位的移動。
楊知認為，不管是哪一類，只要是基于無創的，獲取的信號質量就會受到限制，性能也就必然受到影響，因此都無法做到像他們的技術一樣，能讓殘疾人用自由意志來控制假肢。
當然，還有一大類植入式的腦機接口，比較知名的就是馬斯克去年宣布的 Neuralink。這需要在人腦中植入電極和芯片，做一個相當有風險的開顱手術。
" 但馬斯克是鋼鐵俠，他不 Care 這些所謂的風險和可能的感染。我自己也在做這方面的研究，所以我很清楚他們的技術目前還有很多無法解決的問題和挑戰。也是因為這一點，他們現在只推進到動物實驗階段，離長期的人體試驗和拿到有效的實驗數據還有一段路。" 楊知說道。
相比而言，楊知團隊所推出的平臺能與神經系統做對接，而且其有效性和安全性已被人體試驗驗證。楊知強調稱，" 完成人體試驗并獲取大量有說服力的數據，是我們技術最大的優勢之一。"
其次，他們的植入方式風險小很多。他們采用的方式是向手臂植入電極，屬于微創手術，所以病人當天或者第二天就可以出院。
未來或將實現 " 用意念隔空打游戲 "
楊知告訴 DeepTech，早在 2004 年，他就開始做神經芯片方面的研究，并在當時參與過人造視網膜的項目，即在盲人眼球里植入芯片電極，讓他們恢復部分視力。這一經歷讓他對植入式系統有了大概的了解。
畢業后，他從 0 開始組建自己的團隊與神經電子實驗室。最初 5 年在做腦機界面和植入式神經電子學研究，后又耗時 5 年走通各種臨床道路。在此期間，楊知于 2019 年 7 月 8 日在美國得克薩斯州成立了初創公司 Fasikl Inc.，致力于開發神經 AI 技術，推動先進的腦機通信技術的商業化落地。
" 從開始到現在，我們耗費了大概 10 余年時間，才從科研走到應用以及創新創業。" 楊知感慨道。
回顧這一路求學和科研之路，他坦言，自己非常幸運能遇到一位知識廣博且要求近乎苛刻的導師。一直以來，其導師秉持著 " 不應該以文章為導向做研究，而且一定要選擇自己真正感興趣的有意義的課題 " 的信條，這讓他真正學會了如何做科研，并開始重新審視個人價值觀。
受到恩師的影響，楊知開始慢慢從青年時代看重基礎性研究，轉到后來的 " 更看重研究的影響力 "， 最關心的問題也變成了這項研究究竟能否為社會帶來好處，否則就沒有現實意義。
因此，他們的團隊十分注重病患對其設計的假肢的使用感受。一位常年佩戴商業假肢的患者曾對他說：" 有了你們的技術，我可以回歸自然的手部動作，這太棒了。" 這對團隊來說就是前行道路上最大的鼓勵。
視頻 | 受試者與團隊交流使用新一代腦機接口的感受
為了讓每一個研究進展都有的放矢，真正貼合病患們的實際需求，他們曾詢問大家，" 你覺得我們研發的腦機接口技術未來最大的應用前景是什么？"
其中一位病患的回答給他們留下了深刻印象：
" 我覺得會是電腦游戲，這種接口也許不止能讓殘疾人，還能讓健全的人實現‘用意念打游戲’，完全不需要動手就能隔空玩轉《孤島驚魂》"。
" 真的會有健全的人愿意為了打游戲而去做一個微創手術，往身體里植入電極嗎？"
" 當然，你不知道用意念就能控制游戲中的角色，這對玩家來說有多酷！如果你們能夠把這個技術做得更好，結果如何，who knows？"
病患的話讓人驚詫，同時也讓楊知得以從全新的視角審視這一研究的意義與應用前景。
因此，未來他將分兩步繼續推進這項研究工作，第一是繼續做研究，把現有框架進一步開發成在線范例，做到實時解碼神經數據，更加靈活地控制假肢。并努力優化平臺的各部分組件，使其無縫地協同工作，讓處理延遲最小化。第二則是大力推動產業化與實際應用，并進行大規模的臨床實驗，讓這項技術得到充分利用，最大程度普惠大眾。
