腦機(jī)接口技術(shù)可以修復(fù)大腦問(wèn)題了嗎？先從抑郁治療開(kāi)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(guó)科學(xué)院院報(bào)》（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(xiàn)療法”。
更值得注意的是，在這種治療方法中，通過(guò)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(lèi)的身體在刺激帶來(lái)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?cè)诶皿w外的方式與大腦進(jìn)行通信。這究竟是一項(xiàng)什么樣的技術(shù)？
讓我們從頭開(kāi)始。這一系列技術(shù)的開(kāi)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(tīng)起來(lái)像是個(gè)恐怖故事。但事實(shí)上，這是那個(gè)時(shí)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(kāi)始研究磁場(chǎng)對(duì)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(gè)能產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)的線(xiàn)圈，把它固定在受試者頭頂上。大腦的頂部是運(yùn)動(dòng)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(chǎng)影響。
在這樣粗糙的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，電磁刺激治療技術(shù)發(fā)展起來(lái)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(lèi)技術(shù)的發(fā)展，也許“腦機(jī)接口”這個(gè)概念也會(huì)隨之拓展——從早期以大腦為主核心的大腦指揮萬(wàn)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(kāi)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(guò)脈沖電流的刺激，調(diào)控相關(guān)核團(tuán)或腦區(qū)的功能，來(lái)改善癥狀。1987年，DBS技術(shù)開(kāi)始用于運(yùn)動(dòng)障礙性疾病的治療；1998年，DBS在中國(guó)首次使用?，F(xiàn)在它有了個(gè)形象的名字，叫“腦起搏器”。
在進(jìn)入 21世紀(jì)后，研究者開(kāi)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(guò)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(kāi)展了臨床試驗(yàn)，為多位難治性抑郁癥患者腦中植入電極，以體外開(kāi)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(diǎn)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?yàn)榇竽X可以看成是一個(gè)電路系統(tǒng)——依靠各種神經(jīng)遞質(zhì)和受體來(lái)實(shí)現(xiàn)。而無(wú)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(dòng)有關(guān)。
在理論上講起來(lái)似乎很容易，但實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題會(huì)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(duì)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(gè)人對(duì)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(diǎn)上，和其他抑郁癥干預(yù)手段相似。
但技術(shù)是會(huì)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(kāi)始使用類(lèi)似的技術(shù)治療強(qiáng)迫癥，同樣取得了不錯(cuò)的效果。國(guó)內(nèi)也有一些創(chuàng)業(yè)公司在開(kāi)發(fā)類(lèi)似的產(chǎn)品，例如有一種腦起搏器產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)癲癇患者的腦電模式，一旦識(shí)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(lái)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，調(diào)控體內(nèi)電極，相對(duì)準(zhǔn)確地干預(yù)大腦。
破壞性不那么強(qiáng)的方法
不過(guò)，在顱骨上開(kāi)洞、在胸前埋一塊電路板和電池，也并非必選項(xiàng)。
在上世紀(jì) 90年代人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)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(lái)變化。這一發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)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(chǎng)，來(lái)治療或改善特定問(wèn)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?lài)L試過(guò)一種抗抑郁藥物、但未能緩解癥狀的成年抑郁癥患者。現(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(shí)驗(yàn)中接近 80%。
對(duì)于這種技術(shù)，持續(xù)的硬件改進(jìn)和新的磁場(chǎng)應(yīng)用方式極為重要：施加到線(xiàn)圈上的脈沖形狀、幅度、頻率、持續(xù)時(shí)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T(mén)MS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(gè)性化定位，會(huì)提高TMS的速度和效果；同時(shí)使用功能性磁共振成像，則可以保證線(xiàn)圈的精確定位。第二年，美國(guó)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(shuō)，“這是神經(jīng)影像學(xué)首次成為美國(guó)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(huì)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(shì)，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(dòng)作電位，改變細(xì)胞的活動(dòng)，而且時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)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(huì)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(guò)一個(gè)采訪(fǎng)。在談到他在 2016 年創(chuàng)立的 Neuralink 公司時(shí)，這位被稱(chēng)為“硅谷鋼鐵俠”的創(chuàng)新企業(yè)家說(shuō)，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(wèn)題，包括恢復(fù)視力、治療癱瘓和阿爾茲海默癥等。
這是對(duì)“腦機(jī)接口”這個(gè)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(lèi)大腦與計(jì)算機(jī)的技術(shù)體系，它能實(shí)現(xiàn)人腦與大腦的直接通信。或者說(shuō)，腦機(jī)接口可以記錄、解釋和應(yīng)用大腦活動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)與計(jì)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(lèi)可以通過(guò)思維來(lái)控制計(jì)算機(jī)或機(jī)器，就像《阿凡達(dá)》或者《黑客帝國(guó)》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(guò)分析腦電信號(hào)來(lái)控制外部設(shè)備的研究，還要到20 世紀(jì) 90 年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。隨著對(duì)大腦功能的理解愈發(fā)深入，隨著計(jì)算機(jī)設(shè)備的計(jì)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(zhǎng)足的進(jìn)步。
在早期，研究者往往通過(guò)在受試者頭皮外貼上多個(gè)傳感器，用高靈敏度傳感器捕捉微弱的腦電信號(hào)，再把它們“翻譯”成對(duì)計(jì)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(lái)人們又開(kāi)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(dòng)所帶來(lái)的大腦變化，來(lái)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(kāi)始嘗試直接從大腦中獲取信號(hào)——在大腦里插入細(xì)小的電極。
這類(lèi)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(lèi)。從這個(gè)角度來(lái)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?yàn)榇竽X的復(fù)雜性和工程技術(shù)的限制，腦機(jī)接口這個(gè)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(kāi)幕式上，看到那位全身癱瘓的人士通過(guò)腦機(jī)接口操作外骨骼將足球踢進(jìn)球門(mén)的場(chǎng)景，但目前這個(gè)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(jià)值；無(wú)論是醫(yī)療、教育、娛樂(lè)，還是研發(fā)、生產(chǎn)等等各種場(chǎng)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(duì)腦機(jī)接口的理解。這兩種方法都是直接影響大腦活動(dòng)，而非通過(guò)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(dòng)。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(guò)，新生的概念本來(lái)就是在不斷擴(kuò)展的。我們對(duì)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(guò)信號(hào)直接刺激大腦來(lái)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(duì)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(huì)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(lái)的除了能想到和想象不到的新創(chuàng)意、新市場(chǎng)和新?lián)鷳n(yōu)外，可能還有對(duì)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
