腦機(jī)接口技術(shù)可以修復(fù)大腦問題了嗎？先從抑郁治療開始
責(zé)編 | 李珊珊
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非侵入式的磁刺激技術(shù)正在有望成為抑郁癥的常規(guī)治療方法，2月13日的《美國科學(xué)院院報》（PNAS）一篇文章的標(biāo)題振奮人心——“腦刺激正在從最后手段走向一線療法”。
更值得注意的是，在這種治療方法中，通過標(biāo)配的神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)，我們可以看到大腦在刺激下的反應(yīng)，以及人類的身體在刺激帶來的大腦反應(yīng)下產(chǎn)生的行為——這為這種治療增添了科幻色彩，它看上去幾乎像是：我們在利用體外的方式與大腦進(jìn)行通信。這究竟是一項什么樣的技術(shù)？
讓我們從頭開始。這一系列技術(shù)的開端，是在1938年。那一年，幾名意大利醫(yī)生綁住一名39歲男子，在他的頭上貼了電極，然后通上110 伏電壓。
這聽起來像是個恐怖故事。但事實上，這是那個時代新探索出的療法：電擊成功誘發(fā)癲癇，從而緩解了這位男子的精神分裂癥狀。十次治療后，這位病人已經(jīng)基本可以回歸正常生活了。
除了電刺激，人們也開始研究磁場對大腦的刺激。1985年，謝菲爾德大學(xué)的安東尼·巴克爾（Anthony Barker）制作了一個能產(chǎn)生脈沖磁場的線圈，把它固定在受試者頭頂上。大腦的頂部是運動皮層所在區(qū)域，而受試者的四肢出現(xiàn)了明顯的抽搐——他的大腦受到了磁場影響。
在這樣粗糙的實驗基礎(chǔ)上，電磁刺激治療技術(shù)發(fā)展起來了。今天的電磁刺激技術(shù)，不僅可以緩解帕金森病、震顫和癲癇這樣的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，也正在用于治療強(qiáng)迫癥、抑郁癥，甚至幫助人們戒煙。而且，隨著這類技術(shù)的發(fā)展，也許“腦機(jī)接口”這個概念也會隨之拓展——從早期以大腦為主核心的大腦指揮萬物，逐漸滲透電磁刺激指揮大腦的去中心模式。
“腦起搏器”
20世紀(jì) 70年代，腦深部電刺激（DBS，Deep Brain Stimulation）技術(shù)誕生。這種技術(shù)需要打開病患的顱骨，在腦內(nèi)核團(tuán)或特定腦區(qū)植入電極，然后通過脈沖電流的刺激，調(diào)控相關(guān)核團(tuán)或腦區(qū)的功能，來改善癥狀。1987年，DBS技術(shù)開始用于運動障礙性疾病的治療；1998年，DBS在中國首次使用?，F(xiàn)在它有了個形象的名字，叫“腦起搏器”。
在進(jìn)入 21世紀(jì)后，研究者開始嘗試將“腦起搏器”用在精神疾病的緩解和治療中。21世紀(jì)初，加拿大的研究人員通過影像學(xué)研究，找到了腦中產(chǎn)生情緒的關(guān)鍵通道。2023年，上海瑞金醫(yī)院的“腦機(jī)接口治療難治性抑郁癥”臨床研究小組開展了臨床試驗，為多位難治性抑郁癥患者腦中植入電極，以體外開關(guān)控制電流刺激的電壓、脈寬和頻率，從而調(diào)整患者的情緒。
用具有腦機(jī)接口功能的腦起搏器，多靶點聯(lián)合刺激治療抑郁癥，這是世界首次。
之所以腦起搏器可以調(diào)整情緒、改善抑郁，是因為大腦可以看成是一個電路系統(tǒng)——依靠各種神經(jīng)遞質(zhì)和受體來實現(xiàn)。而無論是帕金森病、癲癇還是抑郁，都可以在部分程度上認(rèn)為和神經(jīng)細(xì)胞間的電流活動有關(guān)。
在理論上講起來似乎很容易，但實際上這個問題會復(fù)雜得多。每位抑郁癥患者的發(fā)病原因和癥狀可能都不同，對應(yīng)的刺激位置、電壓、頻率等參數(shù)的調(diào)整就十分關(guān)鍵。每個人對電流刺激的反應(yīng)都不太一樣，并不是每位患者的癥狀都能有明顯改善——在這一點上，和其他抑郁癥干預(yù)手段相似。
但技術(shù)是會持續(xù)發(fā)展的。上海市精神衛(wèi)生中心強(qiáng)迫癥診治中心已經(jīng)開始使用類似的技術(shù)治療強(qiáng)迫癥，同樣取得了不錯的效果。國內(nèi)也有一些創(chuàng)業(yè)公司在開發(fā)類似的產(chǎn)品，例如有一種腦起搏器產(chǎn)品可以實時監(jiān)測癲癇患者的腦電模式，一旦識別到癲癇發(fā)作，就立刻產(chǎn)生電刺激，抑制癲癇產(chǎn)生的異常電流。
于是腦機(jī)接口就成了關(guān)鍵一環(huán)——把大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備連接起來，通過調(diào)整參數(shù)，調(diào)控體內(nèi)電極，相對準(zhǔn)確地干預(yù)大腦。
破壞性不那么強(qiáng)的方法
不過，在顱骨上開洞、在胸前埋一塊電路板和電池，也并非必選項。
在上世紀(jì) 90年代人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，磁場誘導(dǎo)出的電流可以沿著大腦皮質(zhì)表面的神經(jīng)電路路徑深入大腦，并帶來變化。這一發(fā)現(xiàn)，帶來了“經(jīng)顱磁刺激”技術(shù)。
顧名思義，經(jīng)顱磁刺激（TMS，Transcranial Magnetic Stimulation）技術(shù)是在顱骨外施加磁場，來治療或改善特定問題。這種技術(shù)在 2008年正式進(jìn)入臨床使用，用于治療那些至少嘗試過一種抗抑郁藥物、但未能緩解癥狀的成年抑郁癥患者?，F(xiàn)在，經(jīng)顱磁刺激技術(shù)被認(rèn)為是一種有效且安全的成人重度抑郁障礙治療方法，再加上精確的大腦成像技術(shù)，抑郁癥患者的緩解率在實驗中接近 80%。
對于這種技術(shù)，持續(xù)的硬件改進(jìn)和新的磁場應(yīng)用方式極為重要：施加到線圈上的脈沖形狀、幅度、頻率、持續(xù)時間以及其他參數(shù)，經(jīng)常決定了患者是否有反應(yīng)。除此之外，精確定位技術(shù)也為TMS提供了重要幫助。
2021年，斯坦福大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)增加脈沖劑量、結(jié)合個性化定位，會提高TMS的速度和效果；同時使用功能性磁共振成像，則可以保證線圈的精確定位。第二年，美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)了這一方法——它叫做“斯坦福加速智能神經(jīng)調(diào)節(jié)療法”（SAINT，Stanford Accelerated Intelligent Neuromodulation Therapy）。
有研究者說，“這是神經(jīng)影像學(xué)首次成為美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)的精神病治療的一部分”，這可能是TMS技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵。在大腦中進(jìn)行“神經(jīng)導(dǎo)航”，將會讓醫(yī)生更容易判斷劑量和脈沖，從而調(diào)整刺激的大腦區(qū)域和模式。而這一優(yōu)勢，是植入大腦的“腦起搏器”技術(shù)所不具備的。
當(dāng)然，即使腦起搏器和TMS技術(shù)與當(dāng)前的常用治療方式同樣安全有效，但研究者依然在努力理解這些技術(shù)在細(xì)胞層面的工作原理。目前我們已經(jīng)知道，能量影響神經(jīng)元的動作電位，改變細(xì)胞的活動，而且時間越長，會變得越好；但依然需要進(jìn)一步的研究：例如，神經(jīng)回路是如何受到影響的？刺激引起的變化會如何影響神經(jīng)遞質(zhì)？等等等等。
腦機(jī)接口：從單向到雙向
伊隆·馬斯克（Elon Musk）曾在 2020 年 5 月 7 日接受過一個采訪。在談到他在 2016 年創(chuàng)立的 Neuralink 公司時，這位被稱為“硅谷鋼鐵俠”的創(chuàng)新企業(yè)家說，他認(rèn)為腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)該可以修復(fù)任何大腦問題，包括恢復(fù)視力、治療癱瘓和阿爾茲海默癥等。
這是對“腦機(jī)接口”這個概念的擴(kuò)展。
傳統(tǒng)上，我們將腦機(jī)接口（BCI，Brain-Computer Interface）理解成一種連接人類大腦與計算機(jī)的技術(shù)體系，它能實現(xiàn)人腦與大腦的直接通信?；蛘哒f，腦機(jī)接口可以記錄、解釋和應(yīng)用大腦活動，來實現(xiàn)與計算機(jī)或其他設(shè)備之間交互的技術(shù)系統(tǒng)。這種通信往往是單向的，即人類可以通過思維來控制計算機(jī)或機(jī)器，就像《阿凡達(dá)》或者《黑客帝國》那樣。
雖然早在 1929 年，人們就發(fā)現(xiàn)了腦電波的存在，但通過分析腦電信號來控制外部設(shè)備的研究，還要到20 世紀(jì) 90 年代才開始發(fā)展起來。隨著對大腦功能的理解愈發(fā)深入，隨著計算機(jī)設(shè)備的計算能力大幅提升，在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，腦機(jī)接口技術(shù)有了長足的進(jìn)步。
在早期，研究者往往通過在受試者頭皮外貼上多個傳感器，用高靈敏度傳感器捕捉微弱的腦電信號，再把它們“翻譯”成對計算機(jī)的操作。這種方法是非侵入式的，但是速度慢、準(zhǔn)確率很低。后來人們又開發(fā)出了更多非侵入的方式，包括腦磁圖（MEG）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近紅外光譜（fNIRS）等等，經(jīng)由分析思維活動所帶來的大腦變化，來推斷受試者的想法。
但是這些技術(shù)或者準(zhǔn)確率不高，或者成本太高，又或者難以小型化。于是研究者開始嘗試直接從大腦中獲取信號——在大腦里插入細(xì)小的電極。
這類技術(shù)叫做“侵入式腦機(jī)接口”，又可以根據(jù)電極所在位置的不同而細(xì)分成腦硬膜外、腦硬膜內(nèi)和腦皮質(zhì)內(nèi)三類。從這個角度來看，“腦起搏器”的電極是插入腦皮質(zhì)內(nèi)的侵入式腦機(jī)接口設(shè)備。
因為大腦的復(fù)雜性和工程技術(shù)的限制，腦機(jī)接口這個研究領(lǐng)域依然在艱難探索中。雖然我們都在 2014 年巴西世界杯的開幕式上，看到那位全身癱瘓的人士通過腦機(jī)接口操作外骨骼將足球踢進(jìn)球門的場景，但目前這個領(lǐng)域還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上發(fā)展成熟。但縱然如此，它已經(jīng)展現(xiàn)出了人機(jī)交互的新價值；無論是醫(yī)療、教育、娛樂，還是研發(fā)、生產(chǎn)等等各種場景，腦機(jī)接口都有巨大的想象空間。
可以看出，腦起搏器和經(jīng)顱磁刺激技術(shù)，并不符合我們傳統(tǒng)的對腦機(jī)接口的理解。這兩種方法都是直接影響大腦活動，而非通過大腦控制控制外部設(shè)備或應(yīng)用，或者使外部設(shè)備能夠讀取和解釋大腦活動。它們更像是神經(jīng)調(diào)控的方法，而不是直接的腦機(jī)接口。
不過，新生的概念本來就是在不斷擴(kuò)展的。我們對于腦機(jī)接口的理解，是建立在“傳遞數(shù)據(jù)”的基礎(chǔ)上的；但通過信號直接刺激大腦來調(diào)整情緒或“重置”部分大腦功能，似乎也可以理解為從外部向大腦中傳遞數(shù)據(jù)——產(chǎn)生特定的情緒，是否可以理解成大腦對外界傳入數(shù)據(jù)的反應(yīng)呢？
當(dāng)一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病可以被腦內(nèi)或顱外的刺激源改善，當(dāng)情緒可以依靠外部設(shè)備生成和改變，我們會發(fā)現(xiàn)，這恰巧形成了傳統(tǒng)腦機(jī)接口的鏡像——指令不是從人腦到電腦，而是從電腦到人腦。
而這樣的雙向腦機(jī)接口，所帶來的除了能想到和想象不到的新創(chuàng)意、新市場和新?lián)鷳n外，可能還有對人的本質(zhì)的更深的理解。
[8] Y. Wang, S. Liu, H. Wang. Neuron devices: emerging prospects in neural interfaces and recognition, Microsystems & Nanoengineering 8, 128 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00453-4
