人類的大腦是一台驚人而復雜的機器。人類大腦皮層中有超過800億個神經元，每個神經元有1000個突觸，我們的大腦每秒處理大約1億位元的資訊。 想象一下，在大腦進行思考時，去即時地測量、提取和解釋大腦中的所有訊號。從【X戰警】到【黑客帝國】，對大腦的研究曾經僅限於科幻小說領域，但是今天，人類已經可以將大腦連線到電腦來控制機械手臂，或將你的想法轉譯成文字。
腦機介面(brain-computer interface，BCI)是大腦和外部裝置(通常是電腦)之間的橋梁。腦機介面收集、分析並將來自大腦的電訊號轉換為電腦可以理解和執行的命令。它也可以用外部訊號調節大腦活動。腦機介面是神經科學、生物醫學、物理學和技術的結合，它可以改善嚴重疾病患者的生活。 在機器人、神經科學、科技、遊戲和電腦等領域腦機介面也有著套用。
在過去的25年裏，癱瘓的人透過腦機介面實作了僅憑思想來操作電腦 。他們恢復了因中風而喪失的語言能力；肢體喪失功能或癱瘓的人借助腦機介面重新發揮了肢體功能，或是操作機械臂和機械手。腦機介面技術能夠診斷和治療癲癇等神經系統疾病，甚至有望讓盲人重見光明。然而大多數腦機介面治療需要做腦外科手術，把電極放置在大腦的表層(皮層)或更深的地方 ，這種操作可能會引起出血或感染的風險。而且研究人員目前還不清楚植入的電極對腦組織造成的影響和潛在的損害。就目前來看，電子植入物還無法安全可靠地幫助數百萬潛在受益者。事實上，全世界大約只有50名有嚴重行動受限疾病(例如癱瘓)患者參與了植入實驗 。因為只有在所有其他治療都失敗或是做試驗的前提下，患者的植入手術才會被允許。對這些人來說， 改善低品質生活的收益遠大於潛在的危害 。
運用物理原理和方法可能會使腦機介面裝置的使用更安全、更耐用、更廣泛，比如改進腦機介面的植入方法和材料。我們透過光、磁場或超音波與大腦交互作用來避免或盡量減少腦部手術 的思路可能更為重要。無創、無線和便攜或可穿戴的腦機介面裝置 可以作為大腦的研究工具和醫療器械，並且可以日常使用。
簡要的歷史
從古代到19世紀，醫生和實驗人員為醫學治療嘗試了各種實驗，試圖改變大腦的電生理活動。1924年，德國精神病學家漢斯·伯格利用放置在病人頭骨上的電極記錄到腦電活動，發明了腦電圖(EEG)技術 。20世紀70年代，物理和電腦學家Jacques Vidal演示了透過思想控制外部裝置的方案，即佩戴了腦電圖互動裝置的受試者只透過思想來移動電腦螢幕上顯示的光標 。
腦電圖 是一種有價值的用於診斷癲癇等疾病的非侵入式工具。它能幫我們確定癲癇患者的病因和型別，也能用在癡呆、腦腫瘤和腦震蕩等 疾病的研究上。由於腦電圖是對大群神經元進行采樣，訊雜比很低，很難將這些訊號與特定的腦活動聯系起來。而植入式電極可以采集選定的神經元訊號 。現在許多研究人員和臨床醫生使用一種叫「Utah陣列」的植入式電極陣列。這是一種由100個p型矽電極(10×10結構)組成的矽電極陣列，電極間隔400 μm，放置在4×4 mm的絕緣基板上。電極長度為0.5—1.5 mm，頂端是鉑或氧化銥。全世界約有30名患有癱瘓的人安裝了這種裝置。他們借助這種植入物用自己的思想控制電腦、玩電子遊戲和控制機械臂。 但這種侵入性技術對身體的長期影響還沒完全探明。
手術解決方案。 Blackrock神經科技公司的Utah陣列是一種植入電極陣列，許多研究人員和臨床醫生使用它來建立腦機介面
減少侵入性
電極等人工植入物在大腦中可能引發免疫反應，使附近的組織發炎並留下疤痕。 剛性電極和大腦軟組織間的機械失配性加劇了免疫反應 ，反過來也降低了電極的效能。尋找耐用的、化石相容的、適用於電極和基板的電效能的材料，成為物理學和材料學面臨的一個挑戰。比較有希望的候選材料包括柔韌的導電聚合物以及極薄的電導體，如碳奈米管和矽奈米線 等。
透過改進現有的醫療技術也可以降低手術風險 ，比如神經科技公司Synchron開發的「stentrodes」(支架電極記錄陣列)。這是一種安裝在永久植入大腦血管內支架上的電極，它也可以探測到大腦訊號，並將數據無線發送給電腦。美國Neuralink公司在2019年宣布開發出一款新的腦機介面技術，是透過手術機器人將1024個或更多的柔性電極植入大腦。目前美國食品藥品監督管理局已經批準該方法用於人體實驗。由於神經電極具有高空間分辨率和快速響應 的特點，無論采用哪種植入形式，基於電極的腦機介面都將繼續發揮著重要作用。與此同時非侵入性技術也在迅速開發中。
光子探測大腦
在電磁波譜中，近紅外光(NIR)的波長在700—1400 nm之間，只要功率密度控制在每平方厘米毫瓦以下，就可以穿過頭骨並穿透大腦幾厘米深，且不會造成傷害 。一種被稱為「光生物調節」的非侵入性近紅外方法已經表明可以刺激大腦。光被認為可以增強細胞功能或減少炎癥，但仍需要更多的研究來確定其機制。
第二種非侵入性方法被稱為「功能性近紅外光譜」(fNIRS) ，該方法使用近紅外光測量大腦血液迴圈中血紅蛋白吸收光的變化。因為去氧血紅蛋白吸收近紅外光的方式與氧合血紅蛋白吸收近紅外光的方式不同，該技術可以用來繪制大腦活動圖譜 。測量兩個不同波長近紅外光在大腦特定部位的不同衰減，可以顯示出不同腦區域的活躍度。美國Kernel公司正在開發一款頭盔式裝置 ，它包括覆蓋頭骨的52個模組，每個模組都有690 nm和850 nm的雷射源和一個探測器。2021年，該裝置被美國食品藥品監督管理局批準用於測試大腦對迷幻藥物的反應。由於含氧血流的形成過程需要幾秒鐘，fNIRS訊號的響應速度如果用於控制外部裝置就太慢了，但它提供了比腦電圖更高的空間分辨率和更好的訊雜比，可以更準確地定位大腦活動 。fNIRS頭盔甚至可以在自由移動中監測大腦活動。
一種被稱為「事件相關光訊號」(EROS) 的方法可以用紅外光測量大腦皮層組織光學特性的變化從而實作更快的測量。當神經元活躍時，光與神經組織的交互作用會發生變化，光散射增加，延長了光子穿過大腦的路徑，從而延遲了到達探測器的時間。
創新設計。 (左)Kernel公司的Flow2頭盔使用功能性近紅外光譜來繪制大腦活動圖；(中)諾丁罕大學的衍生公司CercaMagnetics制造了一種堅硬的OPM-MEG頭盔，適合大多數四歲的孩子；(右)醫學物理研究人員與一家模型制作機構合作，制作了一款3D打印的客製OPM-MEG頭盔，旨在完美貼合每個人的頭型
有磁性的大腦
另一種追蹤大腦神經活動的非侵入性方法是「功能性磁共振成像」(fMRI)。 常規的核磁共振成像是在強磁場中檢測體內水和脂肪中質子的行為，從而對身體結構成像。fMRI檢測的是腦部血流訊號，它取決於血紅蛋白的氧合水平。與fNIRS一樣，fMRI也可以標記神經活動的區域 ，而且空間分辨率達到1 mm。訊號響應速度也是幾秒，對於大腦控制外部裝置來說還是太慢了。而且fMRI還需要大型、昂貴的超導磁體裝置。
非侵入性的「腦磁圖」(MEG)具有更快的響應時間，它檢測的是飛特斯拉級的神經活動磁場 ，這種磁場由活躍神經元間的離子流 產生。放置在頭皮附近的敏感超導量子幹涉(SQUID)裝置能夠測量這種磁場，但要防止磁幹擾，這個裝置需要放置在遮蔽室內 。MEG能提供1—2 mm的空間分辨率和毫秒級的響應時間，但它也需要龐大的裝置和高額的執行成本。
「光泵磁強計」(OPM)是一種新型的探測器，它能在室溫下測量大腦的磁場。 OPM中有一個充滿堿金屬原子蒸氣的小腔室。用一個調諧到特定量子躍遷的雷射二極體對蒸氣進行光學泵浦而使原子磁矩對齊。這個磁化與大腦磁場交互作用，改變了已經由探測器確定過的蒸氣的不透明度，從而測量到腦的磁場。
英國Cerca Magnetics公司開發了OPM-MEG可穿戴式腦部掃描器。該裝置是一個覆蓋了全頭的頭盔，含有50個樂高積木大小的單元。可穿戴的OPM-MEG腦機介面裝置可以在受試者身體移動時檢測到神經訊號，並且憑借其高空間和時間分辨率，能夠實作受試者腦控外部裝置 。
傾聽大腦
超音波技術 作為一種人員攜行式無創方法已被廣泛套用於身體結構成像。在過去的十年裏，這項技術已經發展到「快速功能超聲」(fUS) 階段，即利用腦血流的都卜勒測量來辨識活躍的神經元。在fUS中，探頭產生超聲平面波，並透過數百個通道收集訊號。隨後電腦合成聚焦波並分析數據從而快速生成大腦功能的高分辨率影像。超聲也能用於經顱超聲刺激(TUS) ，這是一種調節神經活性的方法，具有定位到大腦內幾立方公釐範圍的精度。有人體試驗表明，TUS可以治療如疼痛和抑郁癥等神經或精神病癥 。
非侵入式腦機介面的未來
非植入的物理方法具有最小的侵入性，可以使腦機介面更安全、更便宜，以及更廣泛地用於醫療。 它們現在作為植入式的補充，或許有一天能取代植入式。但是非侵入式技術由於遠沒有達到植入式技術所能達到的空間分辨率，其套用於醫療場景還有很長的路要走。著名神經科學家凱瑞斯托夫·科赫(Kristof Koch)表示，未來擁有一個安全的腦機介面，將大腦與電腦連線起來，人們可以直接將資訊下載到大腦中 ，這將是多麽奇妙。
隨著消費型神經技術的興起，神經倫理學家指出，如果沒有有效的監管，可能會帶來私密和精神控制等方面的社會問題 。非侵入式腦機介面發展的這些年裏，科研人員已經極大地推進了大腦的研究和治療，並用以幫助嚴重殘疾人恢復自理。與此同時，科研人員也應該意識到將非侵入式裝置用在實驗室和臨床之外可能引發的倫理困境。
中國科學院深圳先進技術研究院 李驍健 編譯自Sidney Perkowitz. P，2023，(12)：29
本文選自【物理】2024年第1期
來源：中國物理學會期刊網
原標題：腦機介面的物理學
編輯：停雲
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