腦機介面 brain machine interface


腦機介面（brain machine interface,又稱BMI）是一個在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部裝置間建立的直接連接通路。其最大的目標為幫助已癱瘓或是喪失功能的身體部位，重新拿回大腦的控制權。我們可以想像在未來的世界，或許人類可以不需要因為中風而長期臥床，也能在失明後重新看見世界。

想要建立這樣的系統，首先我們必須要先讀取神經的資料當作機器的input，在不同的大腦區域有著由單一或一群神經構成的訊號，最常見的分別有利用非侵入式方法所偵測到的EEG、侵入式方法的ECoG、LFP等等，如圖一、二，你可能會有些訝異在受傷的部位還能對外來的刺激產生action potential，但其實這些action potential已經是受傷過後的神經活性，和正常人的反應有所差異。因此我們必須透過數據分析來了解這個新建立的神經系統，才能夠讓病人更精準的控制機器。然而，這也是腦機介面所面臨到的一個問題，我們不能完全的使用正常人身上得到的數據來設計腦機介面，除非未來的科技能夠破解受傷的腦與正常的腦之間的關聯。
圖一

圖二

單向腦機介面：
曾有科學家嘗試在四肢癱瘓的病人身上進行實驗，透過放置一個微小的silicon晶片在頭殼上，同時搭配著螢幕上出現的移動目標，讓病人想像著移動另一個游標去追逐目標，並記錄下當時的神經活性，可以發現當目標開始移動時，的確會出現明顯的神經活性變化，如圖三。接著透過這些data科學家設計出了filter重建出移動的指令給螢幕上的游標，讓病人想像的意念化為真實。結果顯示有高達7到9成的實驗成功移動游標去追逐目標，如圖四。
圖三

圖四

雙向腦機介面：
另一組科學家則設計出了brain to brain的腦機介面，他是利用EEG以及TMS的技術來當成接收以及刺激的手段，一次實驗中會有兩位sender以及一位receiver，sender能夠看到螢幕上完整的俄羅斯方塊，並且下指令給receiver來控制如何放置方塊，receiver則無法看見放置的部分，只能透過sender傳送的指令來做事情，如圖五。訊息傳送的過程只透過brain to brain interface來溝通。結果顯示receiver確實能夠成功放置俄羅斯方塊到對的地方，同時也能在訊息交換的過程中學習到哪一位的訊息較為正確，如圖六。
圖五

圖六

除了科學家致力於腦機介面的發展，企業大老馬斯克（Elon Musk）也為此開了一間公司neuralink來努力實現生化腦的夢想，neuralink曾表示，「我們的首要目標是讓癱瘓患者重新在數位世界獲得自由：文字溝通更直覺，用網路滿足他們的好奇心探索世界，透過影像和藝術表達創造力。」，相信在未來人類能夠透過思考就操控一切的世界就在不遠處。


撰文：黃千恩


參考資料：
1. Hochberg, L., Serruya, M., Friehs, G. et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature 442, 164–171 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04970
2. Buzsáki, G., Anastassiou, C. & Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci 13, 407–420 (2012). https://doi.org/10.1038/nrn3241
3. Slutzky MW, Flint RD. Physiological properties of brain-machine interface input signals. J Neurophysiol. 2017 Aug 1;118(2):1329-1343. doi: 10.1152/jn.00070.2017. Epub 2017 Jun 14. PMID: 28615329; PMCID: PMC5558032.
4. Jiang, L., Stocco, A., Losey, D.M. et al. BrainNet: A Multi-Person Brain-to-Brain Interface for Direct Collaboration Between Brains. Sci Rep 9, 6115 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-41895-7

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