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CNS 2023 | 赵继宗院士:脑机接口研究现状与展望

 成靖 2023-02-23 发布于辽宁

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2023-02-21 16:17·神经时讯

脑机接口(BCI)是指在人或动物脑与外部设备间创建的直接连接通路,是不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其他装置)的一种全新通讯和控制技术。

01

脑机接口发展历史回顾

脑机接口经历了学术探索、科学论证、应用实验3个历史时期。

学术探索阶段

对脑机接口的研究可以追溯至1924年,德国精神科医生汉斯·贝格发现了脑电波,人们注意到意识可以转化为电子信号被读取。以此为基础,脑机接口技术开始起步并逐步发展。1969年德裔美国神经学家埃伯哈德·费兹将猴大脑中的一个神经元连接到一个仪表盘,这只猴成为第一个真正的脑机接口被试对象。此后科学家尝试通过解码大脑电信号准确控制外部设备,脑机接口迈入科学论证阶段。

科学论证阶段(1970—2000年)

  • 1978年,威廉·多贝尔为一位盲人视觉皮层植入68个电极的阵列,成功制造了光幻视。

  • 1998年,Emory大学菲利普·肯尼迪和罗伊·巴凯为锁闭综合征患者植入“运动神经假体”,实现对电脑光标的控制。

  • 1998年,布朗大学约翰·多诺霍团队用电线将人脑和大型主机相连,使人脑能对其他设备进行远程控制。

  • 1999年、2002年两次BCI国际会议。

应用实验阶段

进入21世纪,脑机接口技术从科学论证阶段逐步走向应用实验阶段。世界多国科研高校投入脑机接口研究,不仅有Neuralink为代表的公司推出概念产品,谷歌、微软、脸书科技公司都明确支持发展脑机接口技术研发。

  • 2014年,在巴西世界杯上,一位截肢残疾者凭借脑机接口和机械外骨骼开出一球。

  • 2016年,一名瘫痪男子用意念控制机械手臂和美国总统奥巴马“握手”:此举意味着完全瘫痪患者首次恢复了知觉。同年,我国启动太空脑-机交互实验。

  • 2017年,Facebook在F8大会上宣布了“意念打字”:通过脑电波每分钟打100个字,比用手打字快5倍。

  • 2019年,清华大学高小榕教授协助全身瘫痪、无法说话、仅眼部肌肉能够活动的肌萎缩侧索硬化患者,借助脑机接口打字系统,用意念控制机器,打出现代诗句。

  • 2019年,BCI公司Neuralink脑机接口技术获重大突破:神经外科医师利用手术机器人给猪植入脑控芯片,28 mm²脑部植入96根直径4~6微米“线”,含3072个电极,直接通过USB-C接口读取大脑信号,对大脑损伤更小,传输数据更多。

  • 2020年,美国俄亥俄州Battelle研究所报告,一位C5损伤患者皮肤放置电极系统,大脑运动皮层中植入小型记录芯片,芯片不仅使瘫痪患者恢复正常运动,还可以恢复触觉。

  • 2021年,建立想象手写英文字母脑机系统:美国斯坦福大学克里希纳·谢诺伊团队效率达90字符/分钟。

  • 2021年7月,我国发布《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》。

02

我国脑机接口临床研究

我国的脑机接口技术虽然起步较晚,但发展迅猛。从上世纪90年代开始,我国陆续在“北上广”及重点省会城市成立脑科学研究相关中心和实验室,并于2017年和2018年分别成立了类脑智能技术及应用国家工程实验室、北京脑科学与类脑研究中心,推动脑机接口技术的创新和发展。2021年中国启动“脑计划”,进一步推动脑机接口的蓬勃发展,展开富有成效的脑机接口技术开发研究,已取得了一系列突破。

我国脑机接口技术在临床医学方面取得了初步成果。2014年,浙江大学研究团队首次在四肢瘫痪的患者颅内植入半侵入式脑机接口,基于皮质脑电信号辅助患者通过意念控制机械手完成猜拳动作。复旦大学附属华山医院神经外科和首都医科大学附属北京天坛医院神经外科展开意识障碍研究,运用神经调控、脑机接口等技术最大限度实现意识恢复、神经功能改善。此外,利用脑机接口技术治疗帕金森病合并帕金森痴呆、开发隐蔽汉语言通讯脑机接口系统、应用柔性微阵列电极精准定位脑干背侧核团、绘制人脑运动功能区精细定位图谱为脑机接口研究奠定基础、硬脊膜外电极刺激术技术治疗脊髓损伤等方面都取得初步成果。

03

脑机接口临床应用前景

脑机接口技术的未来发展方向包括3个方面:

(1)高性能脑机接口:目前脑机接口的通信速率仍较低,在大脑与机器之间建立高效的信息交流通道,是实现高性能脑机接口的关键。

(2)双向脑机接口:“从脑到机”(将脑信号转换成意图运动指令)与“从机到脑”(将与外部环境交互的设备捕获的感觉信息传递至大脑)的双向脑机接口是进一步研究的方向。

(3)信息安全:在实现脑机接口应用的过程中,对脑活动数据进行有效安全的管理并制定相关标准规范。

脑机接口临床应用存在以下问题与挑战:

(1)大脑有800~1000亿个神经元,大约10 000个神经元间连接。分析脑机接口采集的数据非常困难:哪些信号有用,哪些信号没用,信号之间如何相互作用知之甚少。

(2)植入式电极有手术风险,植入后的电极可能发生免疫反应或感染,电极周围形成神经胶质疤痕组织使神经信号衰减。

(3)非侵入方式获取的脑电信号质量较差,容易受到外界干扰。

(4)脑机接口安全性:如探测到一些伤害或对社会造成威胁的想法,是否该采取安全措施。

(5)如何保护个人隐私?

解决上述问题需要医师、科学家、工程师、伦理学家、政府监督机构和患者权益团体密切合作,共同推进脑机接口的健康快速发展。

值得高兴的是,2022年2月8日中国信息通信研究院成立了“脑机接口产业联盟”,联合几十家脑机接口领域高校、科研机构、企业,发挥“政、产、学、研、用”桥梁纽带作用,为我国脑机接口、脑机交互、脑机智能领域规划布局提供支撑建议,加强跨领域与行业交流,推动技术创新与应用探索,开展标准和测试研究,培育和构建产业生态,更好地支撑我国经济、科技和社会发展。

总结

脑机接口通过在脑与机器之间建立连接,可以替代、恢复、增强、补充脑功能,为脑功能损伤患者康复带来福音。

目前脑机接口应用还处在临床试验阶段,许多技术和伦理问题尚待解决。随着脑研究的不断深入,未来脑机接口在医疗领域的应用前景广阔。

脑机接口的发展需要加强“政、产、学、研、用”的通力合作,以及人才培养。神经外科理当成为脑机接口临床转化研究的主力军,应该积极投入脑机接口技术的研究。 

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