71岁那年，张校长开启奇幻之旅。退休前，他是温州某中学校长，但三年前的一场车祸造成他第四颈髓节段损伤，导致四肢完全瘫痪，出行只能靠轮椅。去年1月16日，浙江大学对外宣布“双脑计划”重要科研成果，求是高等研究院“脑机接口”团队与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作完成国内第一例植入式脑机接口临床研究，志愿者利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动。这则新闻里所说的志愿者正是张校长。2019年8月，张校长成为国内接受植入式脑机接口手术的第一人，距今已整整两年。手术后，他头顶的花白发间多了两只褐色的“小犄角”，它们正是连接大脑运动皮层信号和外部世界的重要端口。在电影《阿凡达》中，受伤后以轮椅代步的青年杰克可以用意念操纵潘多拉星球上的化身。和杰克一样，经过系统训练，张校长学会了用“意念”控制外部机械臂及机械手，完成握手、喝饮料、吃油条及玩麻将游戏等动作。最近，他又开始学习用“意念”更自如地使用鼠标。通过在脑中建立一个接口，就能够畅游计算机世界，改变“现实”，这一切并不只是存在于科幻电影中。经过科学界四十多年来的持续探索，曾经科幻的脑机接口逐渐照进现实。目前，我国已经将脑科学与类脑研究列入“十四五”规划100个重大项目清单，脑机接口是其中一个重要的科学领域。通过多年的努力，我国脑机接口技术也在不断追赶发达国家，并在某些学术领域与国际接轨，进入国际第一梯队。而来自长三角的脑机接口团队正是其中一支重要的科技力量。
“我喜欢做实验”
下午3点，浙江大学医学院附属第二医院功能神经外科的一间病房里，张校长午休醒来，被搬上轮椅看电视，电视里正在播放动画片，但张校长依然目不转睛。“我什么都看。”前一段时间，张校长天天追看奥运会，“我最喜欢看马龙打乒乓。”说到感兴趣的话题，张校长难得地把视线稍稍挪开前方的电视机，看向记者。看电视是张校长的一项重要娱乐活动，不过，这并非他的生活常态。在过去两年，每天下午3点午休醒来后，他惯例要接受脑机接口训练，每天的训练1小时左右，雷打不动。只不过，最近受疫情影响，相关训练不得不暂停。去年，浙大二院的医疗团队利用手术机器人，将2个4毫米见方的阵列电极送入张校长大脑皮层运动区内的既定位置。每个阵列电极上有100个电极针脚，每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电，当张校长头上的“小犄角”连接上计算机，就可以实时记录张校长大脑发出的神经信号。完成手术只是第一步，要实现“意念操控”，达到“人与机械合一”的目标需要不断地训练。在训练中，科研团队需要对电极检测范围内的人脑神经电信号进行实时采集和解码，将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配对应，才能够让张校长掌握如何操控机械臂与机械手。“一开始训练时，张校长做完一次，满头的汗，非常累。”浙江大学求是高等研究院教授许科帝介绍说，考虑到张校长年纪较大，训练一次时间只有10—15分钟，然后停下来休息一会，再继续训练。训练结束，张校长可以获得奖励——打麻将。以前张校长就喜欢打麻将，为此科研团队特地设计了一套程序，让他能够通过“意念”控制鼠标玩电脑麻将游戏。“过去经常赢，现在在电脑上没有多少赢。”说起战绩，张校长还有些不好意思。“我喜欢做实验。”张校长点点头说，最近实验暂停，他“有点想他们（科研人员）”。
朱君明（左）和张校长对话。 受访者 供图
差距缩短
最近，张校长正在学习如何用“意念”更自如地使用鼠标，这一研究项目距离世界最先进的水平已经很接近了。2007年，朱君明跟着浙大求是高等研究院郑筱祥团队一起出国考察。“很多东西我们都从来没有接触过，只能匆匆看一眼，回来慢慢摸索着做。”朱君明回忆说。当时，浙大求是高等研究院刚刚成立，成立之初就组织跨学科研究力量致力于脑机接口的研究。2006年时，研究组实现了植入大白鼠脑部的“动物导航系统”，能让大白鼠按照人的指令行走。但这样的成果与国际先进水平依然差距巨大。2008年，美国匹兹堡大学神经生物学家已经利用脑机接口，让猴子用“意念”控制机械手臂运动给自己喂食。此时，朱君明一行人刚回国内不久，准备进行猴子实验。直到2012年，浙大团队才让猴子“建辉”利用脑机接口技术“意念”控制机械手完成“抓、握、钩、捏”的手势。2014年，浙大团队首次利用在癫痫病人颅内植入皮层电极进行癫痫灶定位的手术，同步并联电极进行解码，实现意念控制机械手，并完成“石头、剪刀、布”这一猜拳动作。此时，美国的脑机接口设备已能让瘫痪病人对机械臂进行操控，自己喝水、吃饭、打字与人交流。“从最早的差距可能在15—20年，到后来缩短到8—10年、3—5年，我们一直在往前追赶。”有业内人士这样评价。中科院上海微系统所副所长陶虎更加乐观，他预言：脑机接口是中国最有可能迎头赶上的高科技领域之一。前不久，由陶虎团队研发的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”获得2021世界人工智能大会的SAIL大奖，团队研究的柔性电极直径不到0.1毫米，只需在颅骨上钻一个直径不到0.7毫米的小孔，就可直接插入大脑。其植入创伤安全性、长期在体稳定性等关键技术已经达到甚至部分超越了马斯克的脑机接口公司Neuralink。
陶虎团队研发的柔性电极。 受访者 供图
触发合作
2016年，浙大团队参加央视《挑战不可能》的节目录制，展示用脑电波操控大白鼠按照评委设置的既定路线前进。挑战成功后，当主持人问起这项技术的应用前景时，带队的许科帝介绍说，未来“渐冻人”以及一些肌肉萎缩但大脑健全的患者可以通过外部机械手、外部骨骼设备控制肢体，恢复正常生活。节目播出后，团队接到不少电话，都是来询问能不能当研究的志愿者。一开始，浙大团队还在犹豫，觉得条件不成熟，但电话一多，团队考虑再三，下定决心拍板研究。可以说是一档电视节目触发了团队的研究方向。这样的触发也发生在研究团队之间。2012年，浙大二院神经外科和浙大求是高等研究院联合组成的脑机接口临床转化研究团队在猴子“建辉”脑中植入阵列电极，让猴子用“意念”控制机械手。2014年，正是在猴子研究的基础上，团队在癫痫病人颅内植入电极“意念”控制机械手，并完成“石头、剪刀、布”这一猜拳动作。最近，浙大二院张建民和朱君明又完成了由该脑机接口临床转化研究团队研发、具有我国自主知识产权的基于闭环脑机接口神经刺激器首例植入手术，这个手术相当于在病人脑中植入了“反导系统”，很好地控制了顽固性癫痫发作。商业的力量又是另一个触发因素。2020年10月，陈天桥雒芊芊研究院的第一个脑科学前沿实验室，在大型脑医学中心华山医院虹桥院区落成投入使用。目前已经在老鼠、兔子等动物的颅内植入超薄、超柔、高通量神经信号采集器件。陈天桥也准备向陶虎团队投入数千万元人民币的天使轮支持，用以开发侵入式柔性脑机接口的研究。陈天桥在接受媒体采访时表态：“只要钱花得有目的，即使很快花完，我也愿意源源不断提供支持。”陶虎团队还拥有一个庞大的志愿者团队。“每周，甚至每天，都有人来问我能不能做脑机接口志愿者。了解到病人的情况，我们某种程度上内心也很焦急，希望能够在确保安全合规的前提下，尽快地应用到临床上，切实地为病人解决问题。”陶虎说。电影《阿凡达》中曾想象，在潘多拉星球上，当所有生命都紧密地联系在一起时，会诞生一种前所未有的智慧。现在，当学、研、医、产、人各方面因素联系在一起时，一个互联互通的新时代似乎正在走来。
栏目主编：孔令君 文字编辑：孔令君 题图来源：受访者 供图
题图：浙大吴朝晖校长和张校长脑电控制的机械手“握手”
来源：作者：陈抒怡
