脑机接口技术应用前景广阔

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脑机接口技术应用前景广阔

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脑机接口技术应用前景广阔

观众在北京举办的世界机器人博览会上体验人工智能多模态脑机接口平台。

  陈晓根摄(人民视觉)

脑机接口技术应用前景广阔

  中国品牌博览会上,工作人员用脑机科技操控的假肢写毛笔字。

  新华社记者 方 喆摄

  右手戴上驱动气动手套,稳稳握住水杯,拿起、喝水、放下……截瘫患者老杨实现了自主“脑控”喝水。今年1月,首都医科大学宣武医院和清华大学团队宣布,他们成功进行了无线微创脑机接口临床试验,患者行为能力取得突破性进展。

  用脑电活动控制动作、通过微小电流让脑细胞和计算机之间“互动”……这些过去只出现在科幻小说里的场景,正在脑机接口技术的发展和应用中逐步走进现实。脑机接口被称为人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”,是新一代人机交互和人机混合智能的前沿技术,有望成为促进经济社会发展、改善民生健康的未来产业。

  通过记录和解读大脑信号,实现大脑与设备间的信息交换

  截瘫患者老杨今年50多岁,此前因车祸引起颈椎处脊髓完全性损伤,四肢瘫痪长达14年。2023年10月,首都医科大学宣武医院赵国光教授团队、清华大学医学院洪波教授团队共同完成了无线微创脑机接口临床试验。试验中,科研人员将2枚硬币大小的脑机接口处理器植入老杨颅骨中,再通过采集颅内神经信号,使他利用脑电活动驱动气动手套实现了自主“脑控”喝水。

  据介绍,该系统采用无线微创设计,体内机埋在患者颅骨内,电极覆盖在硬膜外(硬膜位于颅骨和大脑皮层之间,起到保护神经组织作用),不损伤大脑细胞。使用时,体外机利用近场无线供电和信号传输技术,隔着头皮给体内机供电,并接收脑内的神经信号,传送到电脑或者手机上,借助解码算法实现脑机接口通信。

  经过数月的居家康复训练,老杨抓握准确率超过90%,脊髓损伤的临床评分和感觉诱发电位响应也有了显著改善。2023年12月,这套系统的第二例脊髓损伤患者植入手术在首都医科大学附属北京天坛医院成功进行,经过一段时间的康复训练,患者不但能够抓握水瓶,还可控制电脑屏幕上的光标移动。

  这两项无线微创脑机接口临床试验分别通过宣武医院、天坛医院的伦理审查,并进行了国际和国内植入医疗器械临床试验注册。首都医科大学宣武医院院长赵国光说:“医工交叉融合推动了脑机接口的创新发展,该技术在帮助脊髓损伤、癫痫等脑疾病患者康复方面具有广阔的应用前景。”

  脑机接口在人或动物大脑与外部设备之间创建了通信和控制“通道”,它通过记录和解读大脑信号,实现大脑与设备间的信息交换。

  脑机接口又可分为输出型和输入型两种。输出型脑机接口主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令,在不依赖外周神经或肌肉的条件下,把用户的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作。这种脑机接口较为常见,老杨使用的就是这种类型的脑机接口。

  还有一类是输入型脑机接口。它主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光等刺激或神经反馈,以调控中枢神经活动,目前已在治疗听觉障碍方面得到应用。

  对于输出型脑机接口来说,如何获取脑信号至关重要。作为脑机接口的关键采集器件,电极决定着所采集脑信号的质量和最终的控制效果。目前在技术路径上,脑机接口又分为侵入式(有创)和非侵入式(无创)两大方向。

  侵入式脑机接口是指通过开颅手术的方式将能够接收信号的电极植入脑中,这种技术需要把电极长期放置在脑中。近年来,随着微纳加工技术和电极材料不断发展,侵入式脑机接口向着柔性、小型化、高通量和集成化发展,但依然无法覆盖全脑范围。非侵入式脑机接口不会破坏人的身体和组织,只在头皮表面采集极其细微的大脑信号。这类脑机接口具有可动态监测全脑信号、系统简单易操作、生物相容性和安全性好等特点,但获取的脑电信号容易受到外界干扰,对信号感知处理技术要求高。

  医疗健康领域是脑机接口最主要的应用阵地。北京脑科学与类脑研究所联合所长罗敏敏说:“包括对高位截瘫患者进行语言解码、运动解码,治疗癫痫、抑郁症等疾病,甚至把图像处理成电信号来刺激视觉皮层,让盲人恢复一定的视觉。这些都是未来值得期待的脑机接口应用场景。”

  我国脑机接口创新生态不断完善,技术持续深入迭代,向着规模化方向发展

  “意念控制”听起来很科幻,它是如何实现的?实际上,患者简单的一个动作,却是一个复杂的技术过程,也凝结着很多领域科研人员的共同努力。

  首先,脑机接口运转包含记录、解码、控制和反馈4个阶段。罗敏敏举例,在自主“脑控”喝水的过程中,脑机接口记录人的思维变化引起的神经细胞电活动,解码后把信息传输给驱动气动手套并控制其运动,进而得到视觉和触觉上的反馈。

  天津大学副校长明东说:“脑机接口综合了医学、计算机、电子、机械、材料等多个学科的先进理论与前沿技术。”

  近年来,随着生物医学工程、神经工程与康复工程、认知神经科学与心理科学、人工智能等领域的发展,脑机接口工程化进度加快,产业化发展明显提速。在2014年巴西世界杯揭幕战上,截瘫青年朱利亚诺·平托就在脑机接口技术的辅助下为足球比赛开球;2016年,在神舟十一号载人飞船飞行过程中,我国航天员完成了脑机交互技术的在轨验证;国际上多个团队通过脑机接口技术,帮助患者实现了“意念打字”“意念说话”等功能……

  近年来,我国脑机接口创新生态不断完善,技术持续深入迭代,产品服务供给日益丰富,向着规模化方向发展。

  2023年初,“智能脑机系统增强计划”在北京脑科学与类脑研究所启动,力争在3到5年内突破侵入式脑机接口方面的关键技术,并在临床上实现初步应用。北京还采用“基金+企业”的组织模式,成立了北京北脑创业投资基金(有限合伙)和北京芯智达神经技术有限公司。

  目前,芯智达公司与国内多家高校院所合作,已布局立项10余个创新项目,各项研发工作取得了阶段性进展。芯智达公司业务发展总监李园介绍:“我们研发的‘北脑一号’‘北脑二号’脑机系统,前者采用皮层电极技术,目前已完成柔性高密度脑皮层电极、高性能脑电数据采集设备等核心部件研发和动物实验验证;后者对标国际先进的高通量柔性微丝电极技术,结合大通道高速神经电信号采集设备和运动想象解码算法,目前有线版本已实现猕猴对二维运动光标的灵活‘脑控’拦截。”

  天津大学神经工程团队是国内最早从事脑机接口研究的团队之一。明东介绍,“神工”系列产品实现了主动康复训练对皮层、肌肉活动的同步整合与协同,取得了运动康复领域的突破。比如,神经调控式机械外骨骼系统“神工—神甲”,核心部件获批国家医疗器械注册证,关键技术在国内多家三甲医院开展了逾千例临床试验。

  “我国脑机接口在软件、关键算法、典型应用等方面均取得了一定的创新性突破。”明东说,但脑机接口走向更广泛的应用,还需要不断探索创新,并通过实践来检验成效。

  加快突破底层和关键技术,培育高质量复合型人才,建立健全相关产业链

  目前,脑机接口解码的大部分仍是头皮脑电,很多大脑内部的神经元还是无法解析;应用层面更多停留在临床试验阶段,还没有形成大众化、市场化的产品。

  明东举例,脑神经信号的产生和表达是一个非常复杂的过程,需要在繁杂的神经表征中寻找到特定意图对应的神经活动模式,并通过高效的算法把这些信号有效解析出来。“后续还涉及神经肌肉刺激、外部机械控制、给受试者呈现反馈等很多步骤,可以说是一个复杂的闭环过程。”

  我国高度重视脑机接口技术发展。“十四五”规划纲要提出,在类脑智能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。罗敏敏认为,我国脑机接口单点技术突破加快、产业链较为齐全,但系统集成能力有待提升,专利多而不优现象比较突出。未来应在明确任务导向、长周期稳定支持的基础上,加快突破底层和关键技术,鼓励开展有组织科研,注重基础研究、产业发展与临床实际相结合。加强主管部门之间的联动协调,促进政策落地更具实效。

  明东建议,要引导高水平大学通过设置交叉学科等方式,培育高质量复合型人才。同时,鼓励校企共建高水平科研创新平台,联合承接脑机接口领域重点攻关任务,解决产业化落地难题,建立健全相关产业链。要科学对待脑机接口研究成果,避免炒作、夸大、概念化脑机接口技术。

  2023年9月,科技部等部门联合印发的《科技伦理审查办法(试行)》明确规定,涉及以人为研究参与者的科技活动,应当进行科技伦理审查,且明确规定了高等学校、科研机构、医疗卫生机构、企业等是本单位科技伦理审查管理的责任主体。2023年12月,国家科技伦理委员会人工智能伦理分委员会编制《脑机接口研究伦理指引》, 为脑机接口研究合规开展,防范脑机接口研究与技术应用过程中的科技伦理风险,提出了指导。

  罗敏敏表示,脑机接口发展面临着科技伦理、安全性、有效性验证等方面的挑战,需进一步在技术提供方、使用者、政策制定者和社会公众之间凝聚共识,充分了解潜在风险和收益,给予脑机接口技术创新的合理灵活度,同时确保行业健康有序发展。(记者 谷业凯 杨彦帆)

【责任编辑:冉晓宁】
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