人和超人，只差一个脑机接口的距离
虽然脑机研究还在“牙牙学语”
但脑机技术的每个小突破都影响深远
5年前，巴西瘫痪男孩利奥诺·平托开出世界杯第一球
3年前，瘫痪多年男子用脑机控制机械假肢与奥巴马握手
现在，不仅身体康复，甚至心理疾病
都能寻求脑机技术的帮助
机械手套治疗中风
碳基电极监测神经递质
……
孙瑜是谁？
材料科学家，高分子材料博士，博士毕业于全美高分子材料科学专业排名第一的俄亥俄州阿克隆大学(University of Akron) 。专注于石墨烯材料以及脑机接口的纳米材料电极研发。
第一部分 身边的脑机接口设备
1.非侵入式脑机接口有哪些身边的应用？
2.演示脑机头戴设备如何监测专注力。
第二部分 脑机接口治疗中风
1.脑机接口如何针对缺血性中风，重建神经回路？
2.脑机修复有何特殊？
第三部分 脑机接口治疗抑郁症
1.为什么脑机设备也能治疗心理疾病？
2.为什么脑机治疗抑郁症和传统方法不一样？
疾病的康复治疗只是脑机改造人类的第一步
这其实是一个加拿大的设备脑机公司，它帮我们做一个冥想训练。大家可以看到，它其实就是一个传感器，比如说这两边有一个针对耳朵的传感器，这边是金属电极，通过金属电极可以采集我们耳朵上脑电的信号。
通过这些信号的采集，它可以来关注脑电波频率的状态，监测一下你到底是不是处在一个比较好的冥想状态。
今天我要跟大家聊的其实就是一个脑机接口里面比较关键的设备，就是电极。大家可以看到这是一个金属的电极。
在这个金属电极有一些其他比较不好的局限的地方，所以我今天想跟大家聊的就是怎么样我们在材料科学上应用一个比较新的炭纳米材料技术。
石墨烯材料其实是一个2011年得到诺贝尔物理学奖的新材料，它为什么要颁给英国这两位有名的物理学家呢？
就是因为石墨烯材料可以把它做成所谓的二维材料，就是做成一个很薄的材料。
基本上它的导电率，机械性能以及其他方面的导热率，都是达到一个其他材料不能比拟的状态，也可以把它做成很透明的材料。
石墨烯在脑机接口领域里有很大的应用，我想请得到的同事给我们展示一个图片，这是石墨烯在侵入式的应用。
当然我接下来还会针对石墨烯材料在脑机接口的一个具体的展开，但是在此之前，我先跟大家稍微讲讲石墨烯是一个什么样的材料，有什么样的应用。
比如我们举一个比较简单的例子，轮胎。大家知道轮胎特别是目前针对新能源汽车来讲，怎么样让它更加节能，更加环保，其实是一个很重要的课题。
如果我们把少量的石墨烯材料加入到轮胎里去了之后，它可以让所谓的滚动阻力，就是让轮胎跟地面的摩擦损耗的能量更小。
所以，我们可以把更多的功能、更多的由于燃油发动的这些能量转化成汽车跑动的动能，而不是让它转化成轮胎跟地面上产生的热量。
在新能源汽车上，我们知道锂电池的开发是很重要的一点，但是怎么样让汽车变得更轻，怎么样让轮胎跟地面的摩擦变得更小，也是我们需要了解的一个课题。
另外一方面，就是我们可能知道石墨烯还有其他应用，比如说它会应用到航空航天领域。
比如说我们知道马斯克在2017年7月份的时候发射了一个猎鹰9号，那一次是帮facebook运载了一些小卫星上去，但是在半空中爆炸。
最主要的原因就是燃料箱的问题，这个燃料箱因为是碳纤维做的燃料箱，燃油的密封性其实没有那么好，所以导致了爆炸。
在这个情况下，如果我们把石墨烯材料加入进去以后，因为石墨烯是二维材料，它是一个膜的状态，碳纤维是一个比较条状的状态。
所以，当我们把碳纤维和石墨烯混在一起之后，不单可以增加它的机械性能，而且可以让石墨烯在气密性上，对于燃油的保护和密封上会起到一个很大的作用。
刚才这部分我就讲完了，主要是刚才跟大家展示了这么一个设备，这个设备就是一个很简单的非侵入式的采集信号监测冥想的设备。
我还大家介绍了一下我自己的领域，接下来我会跟大家针对某一个疾病举例子来阐述一下非侵入式的这么一个脑机接口的应用会有什么样的表现。
通过中风这么一个例子，我也想跟大家讲一讲怎么样通过脑机接口来建立神经回路，怎么样通过脑机接口来利用神经的可溯性帮助瘫痪病人实现康复的一个应用。
刚才我聊到一个技术金属电极，但是未来的发展方向可能要采用所谓的柔性电极，当戴在试者头上的时候，它可以和皮肤、头发贴合得更好，这样有利于采集信号，有利于我们利用脑信号来做脑机接口控制的时候达到一个更好的效果。
接下来我想跟到底聊聊中风这个例子，我们怎么样来具体描述它。中风是什么疾病呢？中风分成两类，可以分成失血性中风，也可以分成缺血性中风。
缺血性中风：我们可以认为它是我们脑血管被堵住了，当血管被堵住的时候，就相当于大脑里面某些神经的信号不大可能传递到身体的各个部分去。
缺血性中风就是一个血管破裂、蔓延到身体的其他地方。
缺血性中风可以认为是从我们的家通到目的地的一条街道被水淹了，没关系，我们可以走另一条路。
但是失血性是没有办法的，所以脑机接口在这一领域是没有办法来解决的，但是在缺血性中风领域可以通过重建神经回路这么一个技术，让它来实现。
所以，这个项目就是我们目前在从事的这么一个项目，跟卡耐基大学合作的一个项目。
一个缺血性中风，我们通过把一个脑机设备戴在头上，采集脑袋上的运动皮层的信号，这个运动皮层的信号通过电脑来做一个解码，这个电脑就会通过操控中风病人。
比如说他的右手瘫痪了，我们可以在右手戴一个机械的手套。大家可以看一下这个机械手套长什么样子（如上图）。
中风病人通过每天一个小时的训练，比如说每周3—4次，可以持续一个月，重复地去练。
之后可以使他在之前已经断掉的神经回路重新建立起来，当然这个神经回路不一定跟之前的神经回路是一样的。
但是因为我们通过重复的训练，通过神经原之间放电的新的链接，使得神经回路建立起来了。所以，这就是一个脑机接口治疗中风的原理。
这个其实跟被动医疗还是有点小区别的，大家也可以看一下中风原理的示意图是什么样子的（如上图）。
有什么区别呢？
中风用脑机接口来控制机械臂运动，我们叫做主动治疗，它跟传统上比如说医生给你做康复训练，是以被动医疗，它其实是一个质的差别。
比如说我们知道医生给你做康复治疗的时候，他其实就是通过某些设备来帮助你做手臂的运动，帮你做相关的运动。
但是这个时候你头脑是没有想东西的，你这个时候是被动的接受医生给你做治疗，做康复。
但是如果通过脑机接口，我们是主动地来指挥机械臂来控制我们的手臂一起运动。所以，在主动治疗这方面，其实它的康复效果会更好，它也会通过这么一个主动的治疗，让我们的治疗周期也会很明显的缩短。
我刚才跟大家举的这么一个例子其实就是说我们可以通过脑机接口来通过神经可溯性重建神经回路。
这个项目还有一些更加酷炫的东西，比如说有一个所谓的情感过滤算法。
什么意思呢？比如说病人通过脑机接口想这个事情的时候，其实他们是有情绪的。
比如说他有时候比较急躁，比如说他有时候比较焦虑，他们在采集信号的时候，效果没有那么好。
但如果我们可以通过算法把这些焦虑、把这些急躁，这些情绪给过滤掉，这样的话，我们就可以达到一个更高效的对信号采集的成功率，更好地指导我们中风康复的过程。
所以从这个角度来讲，情感过滤算法是一个非常有意思的亮点。另一方面刚才我说了很多康复的算法，回到石墨烯的主题，为什么我们要用柔性电极做中风康复的训练呢？
当我们用纳米材料做电极的时候，可以保证电极很柔软的情况下，导电性特别好，特别是在接触头发的时候。
就可以戴在病人头上更久一点，金属的戴着会有压迫感，我们在做康复的时候，特别是很长时间，一两个小时，病人就会感觉很急躁。
如果他们很急躁的情况下，就是采集信号的成功率会变低，如果我们用柔性电极的时候，他戴得很舒服，舒适度会很高。
这样的话，对于采集信号成功率的提升有很大的帮助。柔性电极在这方面就扮演了一个很关键的角色。
刚才跟大家讲了脑机接口在重新恢复通路，怎么样来重建神经回路这么一个重要的作用。
其实这个原理不单单可以应用到中风，还可以应用到其他一些常见病比如说中枢神经重建等等。
脑机接口不单单可以治疗身体的疾病，它其实也可以治疗心理的疾病。这里跟大家分享一个抑郁症的例子：
我们都知道，很多心理和生理的状态，其实跟我们分泌的神经粒子有很大的关系，1936年大家认为神经原之间是靠电信号传导的。
但是之后人们就发现神经突触跟树突之间也会释放出化学物质，这个化学物质我们就叫神经突触，它也获得了1936年的诺贝尔化学奖。
通过这个图，大家可以看到突触跟树突之间，就是神经原的两头，不单单可以通过钙离子来放电，也可以传递某些比较重要的信息。
所以这一部分我想跟大家聊一聊神经递质扮演什么样的作用。
神经递质大家还蛮熟悉的，它可以分成一个新分性，比如说多巴胺等等，这些东西就是常见的神经递质。
回到刚刚说的抑郁症的治疗，在之前传统上特别是在美国，大家经常会用一种比较常见的药品，用百忧解来治抑郁症。
原理是通过病人口服百忧解，来调控神经递质在脑子里浓度的配比。
比如说三种跟抑郁症有关的神经递质，多巴胺、去甲肾上腺素等等。通过这个图大家可以看到，只有在这些化学物质比较平衡的时候，我们才和达到一个比较正常的状态，但如果不平衡的时候，我们可能就要服用百忧解这种药让它达到平衡。
这个治疗有一个很大的问题，我们不知道我们把这个药服用进去之后，调的浓度，比如说多巴胺、血清素还有去甲肾上腺素的浓度是怎样的。
所以如果我们可以很精确的探测多巴胺、血清素和去甲肾上腺素浓度是多少，就可以有办法针对抑郁症进行治疗。所以这就是很重要的一个点。
但是有一个问题，神经递质的浓度在脑子里其实是蛮低的，它的血液中浓度可能只有钙离子的千分之一.
我们知道钙离子在脑子里扮演一个很重要的角色，浓度相对来说也比较高一点。
另外一方面，因为我们有很多种体内的代谢产物，比如说尿酸、维生素C，这些代谢产物都会对神经递质的测量有一个掩盖的作用，可能你看不到。
测的频率也很重要，因为多巴胺可能是一百豪秒释放一次，如果探测频率不够高的时候，就不容易监测到它的浓度。
比如说放个水龙头的时候，这个水一下子哗哗出来了，但如果你拍水龙头这个相机的快门速度不够高，你可能就不容易看到水流动的瞬间。
所以这是我们最近在从事的另外一个项目，跟弗吉尼亚大学的杨博士合作的一个项目。
在这个项目里，我们就会用到碳基电极。
碳基电极有一个什么样的好处呢？对比普通电极来做一个侵入式脑机接口的探测。
现在侵入式电极主要是用金属来做的比较多，但是金属对比碳基电极其实有些不足的地方，比如说像表面的特异性，大家在学高中化学的时候可能知道官能团，像羟基、羧基，它不存在在金属表面上，它存在在碳基表面上。
所以当你把碳基电极放入大脑的时候，这些官能团就会跟多巴胺发生作用，我们就可以检测出来。所以在检测方面，碳基电极比金属电极有一个很大的优势。
另外一个方面，我们知道碳其实是一个在地球上存在含量是很大的，特别是在地壳和其他地方，碳都是一个很主要的元素，所以它的成本也会比较低一点。
而且相比金属，碳材料的生物相容性也比较好，碳元素在我们身体里占据的比例在脱水之后能达到55%，是一个很高的比例。
所以，我们基本上可以把碳材料做成碳纳米管的情况，再做成微束，有点像绳子，或者我们可以把它想象成一个钢筋，它是很多条很细很细的钢丝拧成的一大股钢筋，绳子也是一样，很细很细的绳子拧成巨大的绳子。
所以其实碳纳米管也可以通过一个重新的排列，做成一个碳纳米管束，在监测神经递质方面，其实就是有一个很关键的灵敏性。
所以，采用碳基电极这么一个侵入式神经电极，就可以达到很重要的作用。
所以我们可以想像，在未来我们有可能跟血糖一样，我们可以来监测神经递质的浓度。
只要我们知道这个神经递质的浓度，其实就可以针对刚才我说的抑郁症来做一个有的放矢的治疗。
同时我们也知道，阿兹海默症也是因为多巴胺浓度的紊乱造成的。
所以如果我们可以很精确的通过电极来探测多巴胺的浓度，我们也可以更好地治疗阿兹海默症。
无论是生理还是心理角度，它都可以起到很关键的作用，再想得远一点，我们还可以利用多巴胺来寻找心动的另一半，你只要知道对方多巴胺的浓度是多少，有可能你在跟对方相处的时候就会达到事半功倍的效果。
这样的话，对于未来谈恋爱等方面，我们会有一个不同的量化标准，这方面是一个可以畅想的事情。
所以今天我就主要跟大家讲了三个部分：
第一部分主要跟大家作一个简单的自我介绍，简单介绍一下加拿大这么一个非侵入式电极怎么样做冥想的训练，然后石墨烯材料。
第二部分讲了一下怎么样通过脑机接口进行崇神经回路的崇敬，利用神经的可塑性。
第三部分聊一聊怎么通过碳基电极探测多巴胺的浓度。
