何謂腦-機

腦-機接口（brain–computer interface，BCI），有時也稱為神經控制接口（neural control interface，NCI），心-機接口（mind–machine interface ，MMI），直接神經接口（direct neural interface  ，DNI）或頭-機接口（brain–machine interface ，BMI），是可增強或連接人和動物腦，或者腦細胞的培養物）與外部設備之間的直接通信途徑，通過前者發出的信號來控制后者，實現腦與設備的信息交換。

各國腦計劃

自2013年美國宣布創新性神經技術大腦研究計劃（Brain Research through Advancing InnovativeNeurotechnologies (BRAIN) Initiative）后，世界各國開始迅速加入到腦機這一新興技術潮流中：同年歐盟推出了由歐洲15國參與的人類腦計劃（Human Brain Project）；2014年日本發起了大腦研究計劃（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies forDisease Studies, Brain/MINDS）；我國則提出了15年（2016-2030）“一體兩翼”結構的ZG腦計劃，即以腦認知功能的解析和技術平臺為一體，以認知障礙相關重大腦疾病診治和類腦計算與腦機智能技術為兩翼的“一體兩翼”研究布局。再加上特斯拉，“現實版鋼鐵俠”埃隆·馬斯克（Elon Mask）也加入了這一領域，在2017年就創辦了腦機接口公司Neuralink。就如2020浦江創新論壇發布《前沿技術發展趨勢報告》中的主要結論，腦機接口領域技術爆發期已然到來，未來腦機接口領域將會得到更大重視。

（圖片來源：tps://www.huxiu.com/article/378954.html?f=rss）

腦-機接口研究及應用

“腦機”這一概念其實早已有之，但是直到上世紀的九十年代以后，才逐漸開始有階段性成果。尤其是1999年7月，當時剛剛發行的《Nature Neuroscience》雜志上發表的一篇題為“Real-time control of a robot arm usingsimultaneously recorded neurons in the motor cortex”（利用運動皮層中同時記錄的神經元實時控制機械臂）的文章，正式啟動了腦機接口領域的研究，并在當時的神經科學界引起了重大轟動（Chapin J K. et al.,1999）。但是實際上，腦機接口這個名詞是在2001年才出現的（Nicolelis M A L，2001），就是由上文作者、腦機接口研究先驅——巴西籍神經生物學家、美國杜克大學醫學院神經科學教授米格爾·尼可萊利斯（Miguel Nicolelis）在為《Nature》雜志撰寫的一篇題為“Actionsfrom thoughts”的評論文章中提出來的。由此便正式拉開了連“現實版鋼鐵俠”埃隆·馬斯克都為之瘋狂的腦機接口這一新興技術研究領域的序幕。

（圖片來源：https://www.analyticsinsight.net/everything-must-know-brain-machine-interface/）

2008年，由賓夕法尼亞州匹茲堡大學匹茲堡大學神經生物學家安德魯·施瓦茨（Andrew Schwartz）帶領的研究團隊，利用創造的腦機接口可以被猴子用來操縱機械臂給自己喂食。視頻中顯示，一只猴子成功地使用機械臂從位于不同位置的固定針上抓起棉花糖。手臂被設計成以"逼真的方式"移動，肩部運動范圍一次，肘部只向一個方向移動，一個簡單的爪握來模擬抓手。這項工作可用于今后開發更實用的神經假肢設備，而這種裝置有一天可以幫助癱瘓的人操作假肢，使他們能夠吃，喝或使用其他用具。

2014年世界杯在巴西圣保羅舉行，成千上萬人齊聚一堂。除了預期的盛況和桑巴舞外，還展示了相當令人印象深刻的腦機接口這一科學成就。由米格爾·尼可萊利斯主導發明基于腦機接口技術的“機械戰甲”，幫助28歲的截癱青年朱利亞諾·平托(Juliano Pinto)為當屆世界杯開球。身穿“機械戰甲”的平托成功開球后，電視轉播解說員激動不已：“平托行走的一小步，腦機接口技術發展的一大步?！?/p>

而就在2020年8月29日，埃隆·馬斯克展示了自己旗下的腦機接口公司Neuralink神經元讀取腦植入物，并宣布該系統作為實驗性設備得到了美國食品和藥物管理局（FDA）的初步批準。發布會上還向全世界展示了“三只小豬”：其中一頭豬處于自然狀態，作為對照；第二頭豬被植入了腦機接口芯片，但已經被切除了，表明手術可以安全逆轉；第三頭豬名叫格特魯德(Gertrude)，在展示的2個月前被植入芯片，芯片與鼻子中的神經元相連。當格特魯德吃或者嗅地面時，豬鼻子里的神經觸發了由芯片收集到的電脈沖，此時轉化為了一系列爵士樂的電子蜂鳴聲通過音響系統開始播放，同步顯示的圖像表明神經活動的實時信號。

埃隆·馬斯克當天還展示了新的Neuralink芯片LinkV0.9以及植入芯片的手術機器人，單個芯片設備支持1024個通道，植入佩戴者可以使用智能手機應用程序和藍牙連接來控制設備，該設備可監控溫度、壓力等參數。手術機器人可以精確的切除一小塊頭骨，植入芯片，使用醫用膠水黏合，而不損傷精細的大腦結構，并避免損傷血管。Neuralink的初目標是幫助癱瘓的人通過控制電腦和移動設備重獲獨立。目前這項技術有潛力廣泛的各種腦部疾病，如帕金森病、癲癇和抑郁癥，恢復感覺和運動功能，并ZZ擴展交互方式，允許未來的人類控制外部設備，他們的頭腦，傳遞思想直接到別人的大腦，甚至增加認知能力，如增加智力和記憶。

（圖片來源：https://www.geekwire.com/2020/three-little-pigs-help-elon-musk-demonstrate-neuralinks-brain-implant/）

下篇預告

說了老半天都還沒走到我們Visikol的正題上，實際上腦機接口技術這種極其復雜的科學研究，在正式走進人類生活前，所涉及的大量前期實驗，不僅存在大量的在體/活體實驗，也需要一定量的離體組織、器官實驗。若提及組織3D成像，就不得不提透明化技術，結合熒光成像可將組織轉換為三維數據，以進行復雜的定量組織學研究。

就在近期，Visikol成為了Scientist.com VIP計劃的成員，Scientist.com是人工智能支持的醫學研究市場。經過研發的Visikol組織透明化系列，是一種商業化，易于使用，無損且快速的組織透明化技術。借助Visikol HISTO，可以通過將組織透明化與熒光蛋白和/或免疫熒光配對來輕松地以3D形式對生物組織進行可視化研究。

（圖片來源：https://visikol.com/）

在下期的介紹中，我們將介紹賓夕法尼亞卡倫大學的D. Kacy CullenCullen在腦機接口研究中利用組織工程學方法制備“活的電極”：可生物降解的管包裝軸突，其中長的纖維可以傳遞從一個神經元到另一個的信號。以及在組織學研究方法中采用Visikol透明化，結合熒光標記以觀察神經元。以下部分劇透：左圖不停閃動的是光刺激實驗和右圖是植入一個月后的“活的電極”中的神經元，敬請期待哦！

(圖片來源：Adewole, D. O., et al. 2020. bioRxiv doi: doi.org/10.1101/333526)

參考來源：

1、Brain–computer Interface. Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface [引用日期.2020-12-12]2、腦機接口. 維基百科. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%84%91%E6%9C%BA%E6%8E%A5%E5%8F%A3[引用日期.2020-12-12]3、世界各國腦科學計劃. 搜狐網. https://www.sohu.com/a/137469782_614807[引用日期.2020-12-12]4、讓馬斯克瘋狂的腦機接口究竟是什么？虎嗅網. https://www.huxiu.com/article/378954.html?f=rss[引用日期.2020-12-12]5、前沿技術趨勢：腦機接口、軟體機器人、基因編輯等在列.國家自然科學基金委員會科學傳播與成果轉化ZX.http://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20289/55189/index.html6、馬斯克活豬腦機接口試驗成功！多芯片植入，實時讀取腦電波.量子位.https://www.qbitai.com/2020/08/17988.html[引用日期.2020-12-13]7、Elon Musk’s neurosciencestartup unveils pig with computer chip in brain. Global NEWS. https://globalnews.ca/video/7305380/elon-musks-neuroscience-startup-unveils-pig-with-computer-chip-in-brain[引用日期.2020-12-13]8、With Elon Musk’s help, ‘ThreeLittle Pigs’ demonstrate Neuralink’s brain implant. GeekWire.https://www.geekwire.com/2020/three-little-pigs-help-elon-musk-demonstrate-neuralinks-brain-implant/[引用日期.2020-12-13]9、What to Know About Neuralink, Elon Musk’s Brain-Computer InterfaceProject. Microsoft News.https://www.msn.com/en-us/news/technology/what-to-know-about-neuralink-elon-musk-s-brain-computer-interface-project/ar-BB18k8XW[引用日期.2020-12-13]10、Chapin J K , Moxon K A , Markowitz R S , et al. Real-time controlof a robot arm using simultaneously recorded neurons in the motor cortex.[J].Nature Neuroence, 1999, 2(7):664.11、Nicolelis M A L . Actions from thoughts.[J]. Nature, 2001,409(6818):403-7.12、Adewole, D. O., Struzyna, L. A., Harris, J. P., Nemes, A. D., Burrell,J. C., Petrov, D., et al. (2020). Development of Optically-Controlled“Living Electrodes” with Long-Projecting Axon Tracts for a SynapticBrain-Machine Interface. bioRxiv doi: doi.org/10.1101/333526

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