ブレイン・コンピューター・インターフェース: 現代医学のプラグイン、そして麻痺患者にとっては大きな賭け

5月17日、マスク氏は、今年初めに患者の脳への脳チップの移植に初めて成功したことを受けて、ニューラリンクが手術を受ける2人目の被験者を探していると公に述べた。

5月20日、米国食品医薬品局（FDA）はマスク氏のニューラリンク社が2人目の患者に脳チップを移植することを承認したが、承認書には次のように書かれていた。Neuralink は、最初の被験者で発生した脳とコンピューターのインターフェイスのインプラントの故障を解決する必要があります。

FDAが言及した「失敗問題」、これは、最初の患者の脳インプラントチップでは、約 15% の電極ワイヤのみが正常に動作し、85% ワイヤがすべてずれており、信号を受信できない多くのスレッドがシャットダウンされていることを意味します。Neuralinkは今年3月に発表したばかりだが、8年前のダイビング事故で四肢麻痺となったこの男性は、ブレイン・コンピューター・インターフェースを受けてから2か月も経たないうちに、思考でマウスを操作し、オンラインでチェスやゲームをプレイできるようになったという。手術。

実際には、ブレイン・コンピューター・インターフェースの安全性については常に議論の余地があります。人体の最も重要かつ壊れやすい器官である脳は、その精度と複雑さの点で分析が困難であり、脳を操作する際には、あらゆる動作を慎重に考慮する必要があります。

別の視点から見ると、後頭部にケーブルを挿入するだけで、人々は「思考」を通じて「現実」を変えることができます。聴覚障害者は「音を聞く」ことができ、失語症の人はロボットアームを操作して「話す」ことができます。この種の治療法は医療業界に新たな想像力をもたらし、関連する患者に新たな夜明けをもたらしました。ブレイン・コンピュータ・インターフェースが完全に成熟し、大規模な人体実験が可能になるまでにはまだ遠いように思われますが、テクノロジーの生産性の継続的なサポートにより、すでに静かに根付き、芽を出し、強い生命力と成長の余地を示しています。 。

ブレイン・コンピュータ・インターフェース技術が人間とコンピュータのインタラクションの新時代を切り開く

人間の知覚、思考、言語、運動能力はすべて、脳による体の器官や筋肉群の効果的な制御によって達成されます。ブレイン・コンピュータ・インターフェース技術は、人間または動物の脳と外部デバイスとの間の情報交換に使用できる接続パスを作成します。脳からの情報を直接コマンドに変換して外部機器を駆動したり、人間の手足や言語器官を置き換えたりすることで、人間による外部環境の制御を実現します。

1969 年、科学者のエバーハルト フィッツは興味深い実験を行いました。サルの脳内のニューロンを計器パネルに接続しました。サルが特定の考え方によってニューロンを作動させることができれば、計器パネルのポインタが動きます。バナナ味のペレットをプレゼントします。より多くの報酬を得るために、サルは実際にニューロンの発火を制御することを学びました。このようにして、サルは偶然にもブレイン・コンピュータ・インターフェースの世界初の「被験者」となった。

動物実験の成功は、人間社会における脳とコンピューターのインターフェースの研究に重要なインスピレーションを与えます。1990年代にはすでにアメリカの神経科学者フィル・ケネディが、麻痺患者の脳にブレイン・コンピューター・インターフェースを埋め込み、自分の考えを入力してコミュニケーションできるようにしようと試みた。これは人間社会におけるブレイン・コンピューター・インターフェース技術にとって重要な一歩となる。

現在、ブレイン コンピューター インターフェイス技術によって生成されるデータはますます増えており、これらのデータを効果的に管理および分析することが大きな課題となっています。 AI テクノロジーの発展のおかげで、科学研究者は信号パターンの確立、ノイズのフィルタリング、データ処理の最適化、有効な情報の抽出において科学研究の効率を継続的に向上させることができます。国内政策支援の観点からは、ブレイン・コンピューター・インターフェースも2023年9月に工業情報化省によって4つの主要な方向性の1つとして挙げられた。ブレイン・コンピュータ・インターフェースに代表されるハイエンドバイオテクノロジーは、次世代ライフサイエンスと情報技術の相互作用の「新たな戦場」となりつつあります。

頭皮から大脳皮質まで、ブレイン・コンピュータ・インターフェースの 3 つの主要な実装戦略

ブレイン コンピューター インターフェイスには、非侵襲的、侵襲的、半侵襲的という 3 つの主な実装形式があります。

• 非侵襲性: 脳に侵入する代わりに、頭皮に取り付けられたウェアラブル デバイスを通じて脳情報が記録され、解釈されます。

この技術により危険な手術は回避されますが、頭蓋骨による脳信号の減衰効果や電磁波の分散やぼやけにより、最終的に機器で記録される信号強度や解像度が低く、信号源の特定が困難になります。または関連するニューロンの発火。

• 半侵襲性: ブレイン-コンピューター インターフェイスは、大脳皮質の外側の頭蓋腔に埋め込まれます。

この技術は主に情報分析のための皮質脳波検査 (ECoG) に基づいており、得られる信号強度と分解能は非侵襲的方法よりも優れていますが、侵襲的方法よりも弱く、免疫反応やカルスの可能性を減らすことができます。

• 侵襲性: 電極は外科的に大脳皮質に直接埋め込まれます。

この技術は高品質の神経信号を取得できますが、安全性のリスクが高くなります。たとえば、異物の侵入により免疫反応やカルスの形成が引き起こされる可能性があり、傷が治りにくくなり炎症などの一連の反応が引き起こされる場合があります。

その中で、マスク氏の会社 Neuralink は、開頭術によって人間の脳に電極を挿入し、ニューロン細胞に接触させて脳の電気信号の取得と解読を実現する、侵襲的なブレイン・コンピューター・インターフェース技術ソリューションを使用しています。この点に関して、ブレイン・コンピューター・インターフェースの父であるミゲル・ニコレリスは悲観的な態度をとっている。「私は侵襲的なブレイン・コンピューター・インターフェースを発明しましたが、ほとんどの患者や営利企業にとって、今後数年間は非侵襲的なブレイン・コンピューター・インターフェースが開発の主流になるでしょう。」

国内外の大学は、「適切な薬を処方する」ためのブレイン・コンピューター・インターフェースを開発するさまざまな方法を模索している。

近年、Neuralink のような営利企業に加えて、国内外の多くの研究機関や学術部門も、医療分野におけるブレイン コンピューター インターフェイスに基づいた科学研究や臨床試験を多数実施しています。

3大大学が連携：麻痺患者が「思考」でタイプ入力

2021年5月、スタンフォード大学、ブラウン大学、ハーバード大学医学部の著名な科学者が、新しいブレイン・コンピューター・インターフェース技術を共同開発した。これは、麻痺患者が頭の中にある考えを 1 分あたり 90 文字の速度でコンピュータ画面上のテキストに直接変換するのに役立ちます。これは、同年齢層の携帯電話での一般的な入力速度 (1 分あたり 115 文字) よりわずかに遅いだけです。 ）。

この技術は、小さなモーターの配列を脳に埋め込み、これにより、EEG 信号の収集品質と豊富さが保証されます。その中で、マイクロモーターアレイは、ユーザーが書く文字を想像すると、脳に埋め込まれた電極が多くのニューロンの電気活動を捕捉して測定し、脳の詳細な命令をより正確に実行することができます。 「入力」要件を満たします。

通常、収集された EEG 信号からノイズが除去された後、「タイピング」コンテンツをデコードする必要があります。研究者らは、AI モデルを使用してニューラル活動と実際の筆記指の活動の間のマッピング関係を学習し、リカレント ニューラル ネットワークを通じて各文字によって生成されたニューラル活動パターンを学習し、複数の実験でこれらの活動パターン間の関係を分析し、次元削減を使用しました。クラス図を生成するメソッド。さらに、アルゴリズムは参加者が現在想像している文字を予測し、その予測を印刷出力に変換します。最後に、言語モデルは出力の初期結果を修正して、最終的にレンダリングされるテキストがより正確になるようにします。

ジョンズ・ホプキンス大学: ブレイン・コンピューター・インターフェースを使用してロボットアームを制御し、ケーキを食べる

2022 年 6 月、ジョンズ・ホプキンス大学のチームはチップを埋め込みました。30年以上麻痺を患っていた男性が、ロボットアームを自分の思考で制御し、自律的に食事をすることに成功した。このボランティアは世界初の両側移植者であり、電極アレイが脳の両半球に移植されたことを意味します。

この研究では、研究者らは新しい方法、つまり共有制御戦略を提案しました。人間と 2 つのロボット アームを人間と機械の組み合わせとして扱うことで、操作に必要な自由度の数が 34 から 12 に減少します。関節の動きや指のつまみなどの他の自由度は、逆運動学アルゴリズムに引き渡されます。 （逆運動学）を調べてください。さらに、これら 12 の自由度は、特定のタスクごとに動的に分割され、システムは音声ガイダンスを通じてそのうちの 3 つまでを同時に制御し、他の作業のほとんどを人に任せることができます。アルゴリズム。

最終的に、参加者は合計 20 のテストタスクのうち 17 のタスクを実行することに成功し、自分の好みに応じてロボットアームを微調整したり、カットするケーキのサイズを制御したり、両手を協調させて微細な操作を実現したりすることができました。 。この研究で提案された共有制御戦略により、脳とコンピュータのインターフェースの解読の困難さが軽減され、埋め込み電極の数が少ない、または精度が低い低コストのソリューションにも恩恵をもたらす可能性があることは注目に値します。

清華大学：14歳の四肢麻痺患者が「思い」を込めて水を飲む

2024年3月、清華大学のホン・ボー教授のチームはある症例を発表した。14 歳の四肢麻痺患者は、ワイヤレス ブレイン コンピューター インターフェイスを移植する低侵襲手術を受けました。手術後、わずか 1 か月で空気圧機械式グローブを使用して水筒をうまく握ることができるようになりました。

この場合、「低侵襲」を核に、システム全体と 300 個以上の部品を統合した内部機械は、わずか 1 元硬貨 2 枚ほどの大きさです。さらに、ホン・ボー教授のチームが提案した解決策は、侵襲性と非侵襲性の中間に位置し、「半侵襲性」と表現することができます。脳とコンピュータのインターフェース装置全体は、電極、内部マシン、外部マシンの 3 つの部分に分かれています。 。

まず、研究チームは磁気共鳴技術を使用して患者の運動知覚皮質の位置を特定し、開頭電極の位置を決定した。次に、信号を収集するための電極が頭蓋骨と大脳皮質の間の硬膜外に配置され、脳の信号処理と通信を担う内部機械が頭蓋骨の内側約 6 ～ 10 mm に埋め込まれ、外部機械が頭皮に吸着されます。片側で内部マシンに電力を供給しながらEEG信号を送受信します。

浙江大学：「思いを込めて漢字を書く」が初めて現実に

2024年4月、浙江大学ブレインコンピューター制御臨床トランスレーショナル研究センター神経疾患部門は、脳制御による漢字の書き方に関する最新の研究結果を発表した。

交通事故で重度の対麻痺を患った患者は、頭の中で「浙江大学ブレインコンピューターインターフェイス」という8つの単語を一筆ずつ書くことができた。

実際、脳によって漢字を書くことは、実際には多くの課題に直面します。まず、漢字の構造は複雑で、部首、部首、書き順などに注意が必要で、画数や単語数が多いため分類が難しく、解読がさらに難しくなります。第二に、従来の脳とコンピューターのインターフェイスにおけるロボットアームの把握を制御する原理は、主に大きな関節の動きの分析に基づいているが、漢字を書くにはより正確な動きが必要である。

実験では、ボランティアが頭の中で通常の筆記プロセスを想像し、運動野のニューロン活動を引き起こした。研究者は、運動野の神経信号を分析することで、被験者が想像した筆記の軌跡を取得し、ロボットアームを制御した。書く。この新しい治療法は、麻痺した患者から脳の電気信号を抽出して外部の機械装置を制御してテキストを書き、患者のコミュニケーションのニーズを満たすもので、ALSなどの疾患を持つ患者にとって極めて重要である。

実際、浙江大学は「考えながら書く」ことの実現に加えて、ブレイン・コンピューター・インターフェースの別の方向での一連の研究も開始した。 2014年、浙江大学のチームは人間の脳に皮質脳波微小電極を埋め込み、「思考」を使ってロボットハンドを制御し、難しい「じゃんけん」の指の動きを完成させ、当時「国内初」を実現した。

2020年、浙江大学は、中国で最初の埋め込み型脳コンピューターインターフェースの臨床応用研究を完了した。交通事故により四肢すべてが完全に麻痺した患者は、体系的な訓練の後、脳の運動皮質に微小電極アレイを挿入された。 、彼はロボットアームでアプリケーションを完了することができ、握手をしたり、飲み物をもらったり、揚げた生地のスティックを食べたり、麻雀をしたりすることができました。

安全性と倫理的課題、ブレイン・コンピューター・インターフェースは将来どこへ向かうのでしょうか？

ブレイン・コンピュータ・インターフェースは、医療や健康など多くの分野でより創造的なソリューションを提供しますが、同時に、このテクノロジーの急速な発展は、個人の安全と AI の倫理に対する国民の深い懸念も引き起こしました。

1つ目は被験者の個人的な生命の安全です。 Neuralink を例に挙げると、移植手術全体の所要時間はわずか 15 分で、移植者への外傷も最小限に抑えられますが、その侵襲的な方法には重大な欠点もあり、開頭術後の安全性は長期間保証できません。さらに、人体はインプラントに対する拒絶免疫反応を引き起こし、潜在的な生命の脅威を引き起こす可能性があります。関連するソフトウェアおよびハードウェア設備が不正に使用された場合（悪意のある信号の入力、信号のしきい値の変更など）、脳の混乱を引き起こし、深刻な場合には生命の安全が危険にさらされる可能性もあります。したがって、ヒトの臨床試験を実施する前に、人間の生命と健康のリスクを効果的に軽減する方法は、関連する研究者が直面する難しい問題です。

第二に、個人のプライバシーの保護の問題があります。ブレイン・コンピュータ・インターフェース技術は、ソフトウェアおよびハードウェア・デバイスを使用して人間の脳の生体電気信号を直接収集および分析するため、ユーザーの思考もほぼ完全に暴露されてしまいます。一種の「透明人間」状態が形成されると、ユーザーは簡単にパニックを引き起こす可能性があります。

次に、倫理的な問題があります。実際、Neuralink は 2022 年以来、動物実験により大きな論争を引き起こしています。アメリカの動物保護団体 PCRM も、Neuralink がサルを虐待していると非難しています。その後の動物実験において、人道的態度をどのように確保し続けるかは、人間が答えなければならない。

さらに、ブレイン・コンピューター・インターフェースの研究は被験者の知る権利と個人の尊厳を尊重する必要があり、関連する研究の主要なテクノロジー、パフォーマンス指標、およびアクセス方法はオープンかつ透明である必要があります。意見を幅広く聞くだけでなく、ブレイン・コンピュータ・インターフェースの視聴者と非視聴者の間での偏見や差別などの問題の発生を防ぐためでもあります。

最後に、人間の脳と人工知能が深く統合されたとき、リーダーは誰になるのでしょうか?人間が機械を制御するのか、それとも機械が顧客に敵対するのか?ブレイン・コンピューター・インターフェースを埋め込まれた人間が間違いを犯したり、犯罪を犯したりした場合、その責任はどこにあるのでしょうか?おそらく、関連する法律や規制が導入される前に、これらはブレイン・コンピューター・インターフェースがより広く使用されるときに克服しなければならない問題です。

参考文献:
1.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/110136.htm
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9927342/
3.https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27136825
4.https://mp.weixin.qq.com/s/Fg98TfqSiCxFEKJJ0Y6asg