脑机接口:趋势、挑战和威胁

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脑机接口:趋势、挑战和威胁

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摘要

脑机接口(brain-computer interface,BCI)是一种促进大脑和计算机之间交流的新兴技术,近年来吸引了大量的研究。研究人员提供的实验结果表明,BCI可以恢复残疾人的能力,从而提高他们的生活质量。BCI革新并积极影响了几个行业,包括娱乐和游戏、自动化和控制、教育、神经营销和神经行为学。尽管其应用范围广泛,BCI的全球趋势仍然很少在文献中讨论。了解这一趋势可以让研究人员和从业者了解该领域的方向,以及他们应该在哪些方面投入更多的努力。注意到这种重要性,我们分析了Scopus BCI出版物的25,336个元数据,以确定该领域的进展。分析显示,从2019年起,中国的BCI出版物呈指数增长,超过了同期开始下降的美国出版物。讨论了这一趋势的含义和原因。此外,我们还广泛讨论了限制利用BCI能力的挑战威胁。一个典型的BCI架构被假设为解决两个突出的BCI威胁,隐私和安全,作为一种尝试,使该技术在商业上对社会可行。

介绍

自然地,人类使用他们的外周神经和肌肉来与外部物理环境相互作用,以执行期望的动作。对于患有严重神经疾病的人来说,这种生存的必要性和前提是有代价的,包括肌萎缩侧索硬化和脑干中风。这些人不能控制外部设备,因此需要健康人的帮助,而健康人可能并不总是能得到帮助。受到这种限制的挑战,科学家和研究人员开发了一种脑机接口(BCI)技术,可以将大脑信号转化为独立于周围神经或肌肉的人类动作。

BCI,也称为脑机接口,提供大脑和外部设备之间的直接通信,如计算机和机器人肢体.绕过用于不同任务(例如,视觉、运动和言语)的传统通信渠道,BCI将大脑的电活动和外部世界联系起来,以增强人类与物理环境互动的能力.BCI提供了一个非肌肉的沟通渠道,并促进采集,操纵,分析和翻译大脑信号,以控制外部设备或应用程序。

自从1973年Vidal提出这个概念以来,BCI仍然是一个充满机遇的活跃研究领域.例如,研究人员报告了显著的成就,证明BCI可以有效地恢复残疾人的能力,例如具有精神分裂症症状(精神病、情绪障碍和认知功能障碍)的人.通常,BCI应用程序可以根据行业进行分类:游戏和娱乐,安全性和身份验证,医疗保健,学历、广告和神经营销(运用神经科学和认知科学原理的商业营销),以及神经工程学(神经科学在人类工程学中的应用).鉴于其跨领域的性质,许多方面的发展,BCI可能仍然是一个有吸引力和竞争力的研究领域在较长一段时间内。

尽管BCI的应用前景看好,但对这项技术的未来及其应用于人类时可能带来的威胁的研究却很少。本研究涵盖了典型的BCI威胁,包括医疗安全、隐私、伦理和安全。我们鼓励学术界讨论是否准备好采用BCI技术并适应其挑战和潜在威胁。此外,由于大脑的自然工作原理尚未被全面理解,因此为研究人员提供了建议,以更加关注BCI对人类总体福祉的短期和长期影响。此外,我们的研究揭示了脑机接口领域的几个研究机会。研究人员和从业者可以利用这些机会开发安全的BCI产品,促进人类进步,提高我们的生活质量。

最后,我们从Scopus中提取了25,336个元数据来分析BCI研究的模式和趋势。结果显示,BCI出版物呈指数增长,中国在2019年以后成为领先国家,同期美国紧随其后。这一观察表明了BCI对社区的重要性,但也提出了BCI对人类潜在威胁的关键问题。

BCI系统的基本组件

BCI系统由三个起特定作用的基本组件组成:信号采集、信号处理和应用(图。1).这些组件相互连接并一起工作,以允许大脑信号流向目标BCI应用程序(例如,机械臂)。在特定情况下,来自BCI应用程序的控制信号可能会被发送回大脑,以刺激一些常见的人类功能,如视觉和听觉。

图一
脑机接口:趋势、挑战和威胁

大脑-计算机接口(BCI)系统的主要组成部分

2.1 信号采集

该组件包括具有用于采集脑信号(由脑的生物活动引起的振荡电压)的电极的电子设备,该脑信号定义了其神经生理状态。信号采集包括捕获代表大脑特定活动(例如,运动、言语、听觉和视觉)的电生理信号。大多数BCI系统,包括商业系统,处理以下电生理信号:脑电图,用放置在头皮上的电极测量的脑电活动;皮层脑电图,用放置在手术暴露的大脑皮层上的电极直接测量的脑电图信号;局部场电位,在神经元的细胞外空间周围测量的电势;和神经元动作电位,神经元膜电位的快速而短暂的变化。在呈现给下一个BCI组件之前,捕获的大脑信号经过过滤、放大和数字化.BCI系统的整体性能很大程度上取决于所采集的大脑信号的质量(信噪比)。

根据信号采集方法的不同,BCI可以大致分为两种类型:侵入式(植入头皮下的电极,直接记录来自大脑的信号)和非侵入式(植入头皮的电极)。有创BCI提供了更准确的脑信号读数,但需要手术;非侵入性BCI不需要手术,但存在脑信号弱(信噪比差)的问题,需要昂贵的放大硬件和复杂的信号处理技术。

2.2 信号处理

2.2.1 特征抽出

在这一阶段,BCI系统从采集的信号中提取关键的电生理特征,以定义大脑活动,并因此定义用户意图的编码.与前一阶段类似,特征提取应准确执行,确保特征反映与用户意图的高度相关性,以增强BCI系统的有效性和性能。典型的BCI系统采用时域或频域特征具有不同的特征:事件诱发电位(如P300)的振幅或潜伏期、频率功率谱(如感觉运动节律)或神经元放电率.因此,在设计BCI系统之前,应该建立特征的域变换和特征。此外,应消除特征中包含的会对BCI系统后续阶段产生负面影响的混杂伪像。

2.2.2 特征分类

所提取的特征表示预期动作的大脑活动。分类过程有助于识别与这些动作相对应的特征模式。例如,我们可以识别代表移动机械臂的指令的特征。该组件通常使用机器学习和分类方法来实现.

2.2.3 特征翻译

在这个信号处理阶段,分类的特征被翻译并转换成实际命令来操作外部设备(BCI应用)。在特征提取之后给出的输出的例子包括用于计算机屏幕上的光标移动、音频设备上的音量控制或文本书写的命令。特征翻译算法的一个重要属性是适应性,翻译算法自适应跟踪特征变化并生成适当输出的能力。

2.2.4 BCI应用

功能转换生成可以控制外部设备的命令(BCI应用程序):光标在计算机屏幕上选择字母和文本,轮椅,以及机械臂.对于BCI恢复问题,来自BCI应用的控制信号可以被传输到大脑或其他身体器官。

脑机接口的应用和未来

在当代社会,科学家和工程师一直在努力应用先进技术来提高人类生活质量.在现有技术中,BCI因其能够恢复身体部分缺失或受损的人的情绪和体力而在医学界获得了相当大的关注。BCI技术允许身体残疾的人用他们的思想控制机器。这种优势为这些人提供了一种启示性的体验,使他们能够与外部环境互动,完成不同的活动,而无需依赖健康人。

BCI领域进展迅速,取得了许多有希望的成果,可以显著改善人类生活。研究人员需要定期更新,以应对阻碍BCI技术进一步发展的挑战。更重要的是,鉴于脑机接口的多学科性质,科学家和工程师应该合作开发新的先进的BCI应用。最近,这项技术在包括采矿和教育在内的一系列领域中发现了许多工业价值。结合第四次工业革命,研究人员已经证明,BCI可能会加速机器人的进化和神经生理学的发现.BCI技术的其他应用包括思想解码、人类记忆扩展、心灵感应通信、自动化和控制、情报共享、大脑能量采集和受损身体部位的优化(针对性)治疗。

3.1 思想解码

大脑作为一个复杂的人体器官,产生并控制我们的思想和其他生理参数:情感、触觉、呼吸、听觉、运动技能、饥饿、温度、记忆和愤怒。一些参数,如愤怒和呼吸频率的变化,可能会通过身体的表情或动作表现在外面。然而,大多数参数只能在其他人不知道的情况下在内部(大脑内部)表现出来。例如,目前的技术不能以可接受的准确度预测个人的想法。虽然这种人类思想的内在化——在BCI系统中表现为大脑信号——可能有优势,但有些情况下可能需要我们准确解码这种思想。例如,在犯罪学中,警察想要了解一个嫌疑犯是否说真话。最近,研究人员一直在研究BCI如何提高测谎仪的性能,测谎仪测量一个人(如罪犯)的论点的真实程度.也许通过结合BCI和人工智能技术可以实现这个方向的有希望的结果。

BCI应用程序能帮助把人类的思想准确地翻译成可读的文本吗?如何衡量翻译文本的准确性?我们的想象力能被映射成真实的物体吗,比如印在一张纸上的图片和文字?梦里的事件能被BCI系统准确解码吗?我们能否将BCI的应用扩展到开发监测思维或睡眠模式的可穿戴设备?我们能直接从一个将死之人的思想中提取遗嘱吗?我们能通过BCI系统从大脑向打印机发送指令信号和数据来打印实体文件吗?这些有趣的问题需要进一步的科学探究。

这项研究预计,脑机接口的未来发展将包括可以直接将人类思想映射到物理对象的复杂产品。我们认为,随着BCI的不断增长,人们(尤其是那些身体残疾的人)将使用他们的思想远程驾驶和控制机器(例如,无人机、车辆和飞机).BCI的高级开发可能会暴露出关键的安全和隐私问题,因此需要通过通用标准对该技术进行良好的监管.

3.2 人类记忆的延伸

斯蒂芬·霍金从理论上论证了将人脑上传到计算机的可能性.尽管这一哲学争论的焦点是人类的心灵(意识),但它提出了一个关键问题,即BCI是否可能是实现这一概念的一种有前途的未来技术。具体来说,我们如何从大脑中提取记忆信号并解码存储到计算机中(内存扩展)?如果成功实现,人类将能够将他们的记忆上传到计算机中,以便更快地处理、检索和传输信息,或者控制外部设备。

在脑-计算机接口的最新发展中,科学家们已经取得了杰出的成果,表明大脑信号可以被采集并转换成反映人类预期行为的数据.未来对BCI的研究可能会推进这些结果,以调查BCI如何用于收集人类的行为和特征,用于研究和科学研究目的。但是这项研究应该在严格的伦理指导下进行,这是BCI研究人员没有很好捕捉到的一个因素。

来自大脑的敏感信息,如果被准确地采集,可以被存储到外部物理存储器中并从外部物理存储器中检索。想象BCI的未来,我们设想科学家和从业者可能会开发便携式闪存驱动器(或其他物理存储器的变体),可以插入BCI设备,从大脑提取信息(或将信息引入大脑)。人们可能会质疑某个可能应用所提出的想法的领域。想象一下,一个心理咨询师掌握着关于一个人的行为和特征的准确信息(通过BCI设备获得)。显然,这位专家可能会提供一个充分知情的建议和结论,给一个人提供一个可观的影响。实现这一科学努力需要密集的多学科研究。

3.3 心灵感应交流

Rao等人证明了BCI与计算机-脑接口(CBI),可以允许个人在没有物理交互或感觉通道的情况下进行交流,这个过程叫做心灵感应交流。BCI和CBI的整合形成了仍处于早期研发阶段的脑-脑接口.在未来,我们期望在这个方向有更多的工作来扩展心灵感应通讯在各种科学和工程领域的应用。例如,研究人员可能会研究人类大脑如何通过物联网(IoT)网络互联,以增强个人之间的信息和经验交流。虽然很少有研究证明BCI与物联网接口的可能性,通过网络连接大脑和物联网仍然是一个开放式的挑战,值得研究人员关注。此外,BCI-物联网与其他通信模式(如脑-脑接口和脑机接口)的集成需要进一步研究,以探索人机-人通信的其他能力和功能。然而,所有这些技术进步都应该与遵守人类道德原则同时进行。

3.4 自动化和控制

BCI有希望的发展表明这项技术可能在自动化和控制工业中有用.目前,BCI在家庭自动化和控制方面受到了极大的关注.在这种情况下,该技术可以帮助身体有障碍的人实现日常家庭活动的自动化,使这些人独立生活成为可能。随着技术的进步,我们期待BCI在工业制造过程中的积极影响。从本质上讲,研究人员可能试图调查BCI在第四次工业革命中的作用.例如,BCI应用程序可以通过安全的无线网络进行连接,以实现制造业流程的自动化。考虑到传感器技术的成熟和快速发展,BCI可以应用于非接触控制和自动化工业系统。这一研究方向需要深入研究,以克服BCI技术的固有限制,并确保与智能传感器的无缝交互。

3.5 情报共享

BCI能否与CBI一起帮助重新编程大脑,从而允许个人之间共享情报?虽然这可能被想象成一个虚构,但这项技术的基本原理表明,大脑可以被人工重新编程。然而,实现这一里程碑需要对我们大脑的本质和功能有坚实的理解——目前的知识水平还没有达到这一阶段。

3.6 大脑能量采集

人脑仅占身体质量的2%,对于正常状态下的普通成年人来说,消耗全身能量预算的20%来执行其活动.这一能量消耗比例使其成为第三大耗能器官.我们假设,BCI技术可能与其他先进技术相结合,以获取这一巨大能量的一部分,为低能耗的外部设备供电。实现这个想法需要研究,调查一个典型的BCI系统能从大脑中获取多少能量。

3.7 本地化的大脑-计算机接口

在BCI,获取大脑信号的过程是不歧视的。实际上,电极在其位置附近(头皮下或头皮上)获取所有可用的信号。因此,为单个预期任务(例如,假腿的运动)收集了大量的信号和噪声,使得这种信号的处理相当困难。然而,我们可以通过定位BCI系统,利用特定的信号来控制目标身体部位。例如,考虑一个有语言问题的人,BCI系统可以被放置在直接从大脑接收语言控制信号的区域。这一进步可以提高BCI系统的性能并减小其尺寸。

BCI研究趋势

在分析BCI研究的趋势时,我们在2022年8月26日从Scopus提取了25,336篇出版物的元数据。使用的搜索字符串是“脑机接口”,根据Scopus研究规则,包括其他类似的字符串变体:脑机接口;脑机接口;脑机接口;脑机接口;脑机接口;脑机接口(BCI);脑机接口;脑机接口;脑机接口;脑机接口(BCI);和脑机接口。其次,一些被错误归类为与BCI有关的出版物被删除。在我们的扩展数据集中,所有提取的元数据都按照大洲、地区和国家进行了组织为了分析。沃斯维尔服务于组织和分析被调查的BCI出版物的书目网络的目的。

我们的分析表明,BCI领域多年来一直在不断发展,出版物从理论和基本原则到实际应用。研究表明,BCI可以显著改善残障人士的生活质量.鉴于其在许多领域的广泛应用,研究人员投入了更多的时间来解决BCI系统的实际挑战。分析以前的BCI研究,我们已经观察到BCI场的指数增长。2a)。例如,在5年的时间间隔内(2016年至2021年),BCI出版物的数量稳步增长了约1.5倍。这一趋势表明,BCI对科学和普通社区的需求日益增加,这一指标要求有必要进行先进的BCI研究。

数字2b,c显示,亚洲,特别是东部地区,这些年来产生了更多的BCI出版物。中国展示了脑机接口出版物稳步增长的趋势,从2019年起超过其他国家(图。2d)。这一有趣的趋势可能是由中国政府增加研究经费和支持进行高级研究引起的.在……里中国制造2025战略,中国制定了雄心勃勃的计划,要在2049年成为领先的超级大国。该战略,加上更高的人口规模和学术研究机构数量的增加,可能是中国在BCI研究方面取得显著成就的驱动因素。

然而,就BCI出版物的总数而言,美国仍然是领先国家(图二)).鉴于美国更高的技术和经济实力,这种观察是意料之中的。也许未来调查的一个有趣问题是,为什么这个国家的BCI出版物数量从2019年开始下降。美国可能改善BCI出版物趋势的一个方法是促进与中国大学和研究机构的合作。).

数字4和5显示BCI出版物数量较多的五个国家:美国、中国、德国、日本和印度。来自这些国家的作者合作促进BCI研究的发展。鉴于BCI技术在人类社会经济发展中的价值,我们建议在其他国家,特别是南半球的国家进行调整。根据世界银行的定义,低收入经济体的机构应该有权进行先进的BCI研究,重点是实现第三个可持续发展目标“良好的健康和福祉”。

非洲在BCI研究方面落后(图。2b)仅占全球所有BCI出版物的0.95%。这一小比例可能是由于支持和推进BCI研究的资金不足(图5).资助机构可能需要将非洲视为BCI研究的潜在大陆。预计到2022年人口将达到14.26亿大约是欧洲的三倍有超过2000所大学和机构,非洲可以在BCI研究中做出重大贡献。研究BCI的方法和结果可以改善数百万非洲人的生活质量。根据联合国的统计数据,非洲有8000多万残疾人,包括那些患有严重精神疾病和身体残疾的人,他们可能是BCI成果的受益者。因此,在资助组织和政府的支持下,非洲研究人员和创新者应该利用BCI技术的能力来应对非洲现有的实际挑战。造成非洲BCI出版物数量少的另一个可能原因可能是进行BCI研究的技术水平不足,这需要先进的设备和复杂的基础设施。与发达国家,特别是中国和美国合作开展BCI研究可能是非洲实现BCI研究理想产出的有效和可行的战略。

总的来说,BCI的研究揭示了几个有趣的问题,需要学术界的关注。我们的研究发现,不同的国家根据当地的具体情况,对BCI问题的处理方式也有所不同。例如,发达国家的BCI研究侧重于该技术的工业应用,而发展中国家的研究主要涉及该技术如何有助于提高人类的生活质量(例如,提高预期寿命)。美国和中国在BCI研究方面取得了重大进展,为第四次工业革命中的BCI提供了光明的前景然而,人们严重关注该技术如果被滥用可能带来的潜在威胁。事实上,这些国家已经在现实世界中实际应用BCI来促进人类进步。通过对25,336篇评论文章的元数据进行批判性分析,我们观察了复杂的BCI研究实验室,这产生了具有积极实际影响的结果。发展中国家,如非洲国家,缺乏支持BCI研究的基础设施。因此,在这些国家全面探索BCI技术的竞争优势可能相对具有挑战性。

图2
脑机接口:趋势、挑战和威胁

脑-计算机接口出版物的发展。(数据于2022年8月26日从Scopus收集。)

图3
脑机接口:趋势、挑战和威胁

每个国家关于脑机接口的出版物数量。(数据于2022年8月26日从Scopus收集。)

图4
脑机接口:趋势、挑战和威胁

基于脑机接口出版物的国家间合作网络

图5
脑机接口:趋势、挑战和威胁

支持脑机接口研究的组织协作网络。(数据于2022年8月26日从Scopus收集。)

脑机接口的挑战和潜在威胁

尽管BCI技术有着广泛的应用,但它对人类构成了威胁,需要加以解决。在我们努力使这项技术变得友好和有用的同时,研究人员应该开发与人类标准原则产生共鸣的BCI应用程序。从本质上讲,一项更好的技术应该在考虑人的因素的同时改善我们的生活,包括便利性、易用性、隐私性、安全性和安全性.在采用BCI技术供社区使用之前,研究人员和从业人员有义务让用户参与进来,并确保该技术通过了预定的质量标准。

5.1 隐私

在路易吉·比安奇的文章中,作者指出缺乏管理BCI应用程序开发的特定标准。正如Takabi等人指出的,这一挑战,使得BCI应用程序可以不受限制地访问大脑信号。作者的结果表明,这些应用程序可能会在用户不知情的情况下提取用户的敏感信息。为了解决隐私问题,应该建立标准来定义获取方法、访问控制协议和加密技术以及其他属性。Klein和Ojemann建议,在开发BCI系统并将隐私问题纳入知情同意协议时,可以通过遵守最佳实践来解决隐私问题和其他威胁.

在这项工作中,我们假设了一个BCI系统的功能模型,考虑到隐私和安全问题(图6).这个模型扩展了Mason和Birch的工作,包含的组件可以防止在用户不知情的情况下对敏感个人信息进行未经授权的访问。回忆无花果。图6在采集脑信号之前,BCI系统使用预定义的访问规则来使用户参与进来,以确保信息的高度完整性和隐私性。在信号处理块中,组件“特征选择”保留用于分类和翻译的质量特征。接下来,对于通过互联网与联网设备链接的BCI应用,我们建议在传输之前对转换后的特征(控制命令)进行加密。该过程防止攻击者改变控制命令,这种结果可能威胁用户的安全。其他先进技术,包括区块链,也可以用于防止攻击者对控制命令的未授权访问。最后,该模型包含一个特征解密模块,用于对加密的控制命令进行解码,以供BCI应用程序使用。

图6
脑机接口:趋势、挑战和威胁

具有用于增强隐私的加密和解密组件的脑机接口(BCI)系统

5.2 安全性

BCI领域在开发医疗应用和产品以改善患者生活质量(如恢复受损的视力或听力)方面取得了重大进展.然而,鉴于对BCI互联网通信的需求日益增加,安全问题已经出现.脑机接口的进步为网络攻击者创造了机会,他们可以干预BCI应用程序的正常运行.攻击者可以更改从特征翻译组件导出的命令(图1)并对目标主体造成不良影响。因此,研究人员应该调查安全威胁和易受攻击的BCI组件,然后找到可靠的解决方案。

5.3 安全

安全性问题通常可以在侵袭性BCI类型中观察到。由于被植入脑组织,侵入性BCI会损害神经细胞和血管,从而增加感染的风险。此外,身体的自然防御系统可能会排斥植入物,将其视为外来实体(生物相容性问题)。侵入性BCI的另一个安全问题是手术后可能形成疤痕组织,这可能会逐渐降低所获得的脑信号的质量。应对这一挑战需要全面了解人体如何工作以及如何与外界物质相互作用。BCI的科学家和工程师应该利用这些知识开发安全优质的BCI应用。除此之外,这项知识应该可以让神经外科医生更精确地了解特定脑部区域,以便植入BCI电极。

5.4 道德、法律和社会问题

BCI的研究提出了许多关于隐私、安全、可靠性和可访问性的伦理、法律和社会问题.该协会更喜欢解决他们问题的BCI技术。例如,人们应该关注BCI应用程序的隐私和安全吗?这项技术能保证安全吗?社会能平等地获得技术吗?在负面技术或技术影响的情况下,谁将对此负责,法律含义是什么?在将这项技术应用于社会之前,这些问题需要仔细考虑和进一步研究。

5.5 方便灵活

大多数BCI应用需要校准数据来逆转由电极阵列的神经可塑性或微动引起的不良变化.这种必要性要求频繁的解码器再训练,这是一个不方便且耗时的过程,给用户带来了不必要的负担。威利特等人强调他们通过手写进行大脑到文本交流的开创性工作中的挑战。尽管作者的模型取得了令人鼓舞的性能,但每天的解码器再训练是不可避免的。未来的研究可能会调查更有效的解码器训练技术,而无需用户亲自参与。本质上,BCI应用应该相对于大脑神经活动的随机变化自适应地操作。可以采用自动自校准方法来相应地更新BCI应用的操作,因此提高了便利性和灵活性。

5.6 多学科

BCI领域涉及多个学科,应该将这些学科联系起来,以建立先进的原理和更有效的BCI应用。在我们对Scopus的分析中,我们观察到一些重要的学科没有充分参与BCI研究(图7).例如,只有1%的BCI相关出版物来自心理学,一门研究人类思维和行为的学科。心理学,当与其他学科结合时,可能会提供一个里程碑来开发更好的和实用的BCI系统,这些系统可以积极地变革人类。建立来自不同学科的研究团队可能需要战略计划和资金,但这种多学科团队对于充分利用BCI有前途的能力是重要的。

图7
脑机接口:趋势、挑战和威胁

每个学科的脑机接口出版物数量

5.7 大数据

大脑储存了大量的信息,为不同的人类任务服务。此外,这个中枢身体器官产生大量的电信号,控制、监测和调节人类活动。显然,BCI提出了一个需要复杂技术来解决的大数据问题。不幸的是,由于对大脑工作原理的知识不足,BCI的研究人员可能没有收集和利用所有的大脑数据和信号。研究人员需要了解关键的神经学特征,包括在学习或损伤恢复中灵活地允许神经元重组的神经可塑性.在非侵入式BCI中,研究人员应该确定头皮上电极网络的分辨率,以便最佳地收集大脑信号。类似地,侵入式BCI需要将电极最佳地放置在头皮下。

5.8 临床试验参与者的可用性

BCI作为一种新兴的相对较新的技术,为一些弱势群体提供了有希望的机会。大多数人,特别是来自发展中国家的人,不知道这种技术的优缺点,从这些国家收集的少量BCI出版物就证明了这一点(图二)。)。因此,让可接受数量的人测试BCI医疗产品可能相对具有挑战性。

遵循道德准则,人们应该表示同意接受、采纳和使用BCI技术。在这项工作中,我们注意到开始BCI装置临床试验的有限尝试。2021年7月28日,Synchron成为第一家获得美国美国食品药品监督管理局批准对永久性植入装置Stentrode进行临床试验(研究装置豁免)的BCI公司.在匹兹堡大学可以看到BCI产品临床试验的其他倡议(感觉运动微电极脑机器接口)和美国国家医学图书馆(例如,智能门和格勒诺布尔大学的BCI装置).Morinière等人介绍了一种双臂外骨骼,用于在临床试验中评估BCI产品.尽管有这些举措,包括来自初创公司和公司的举措,但参与临床试验的参与者数量似乎不足以在全球社区推广。考虑到文化和传统价值观,我们建议临床试验多样化,增加来自不同国家的参与者数量。此外,可能需要进行研究来了解社会对BCI技术的接受程度。在这项工作中,我们找到了一些研究,试图确定接受BCI设备的人类行为因素.我们的建议是,尽管这种技术提供了优势,这种设备的发展应该考虑的因素。

5.9 监管机构的标准化和批准

我们已经见证了越来越多的倡议来开发具有高级功能的BCI设备.初创公司和公司一直在开发供社会使用的商用BCI设备。我们的研究发现,正在努力为BCI设备开发管理神经技术的通用标准。这些努力应该被加速以匹配BCI设备的增加的商业需求。目前,人们可能会对BCI技术在一般质量和道德准则方面的实际适用性提出质疑。此外,在开发和管理医疗器械的最佳实践的指导下,商业上可行的BCI器械的临床试验信息仍然不清楚。我们只能从公共医学数据库中找到一些参与人数有限的临床试验。考虑到BCI技术对人类的敏感性和可能的长期影响,在BCI装置商业化之前,相应监管机构的批准程序似乎是必要的(图8).然而,这种必要性带来了另一个挑战,即一些发展中国家可能没有足够的先进设备和专业知识来测试和批准BCI装置。

图8
脑机接口:趋势、挑战和威胁

图8   脑-计算机接口设备实际管理的建议程序

5.10 电池寿命

植入式脑机接口要求材料能够在更长的时间内持续工作,最好是几十年,而不会变质.然而,我们大脑温暖的水性会影响植入物的能量保持能力。水(脑脊液)是一种强溶剂,会逐渐腐蚀电极的绝缘材料。随着时间的推移,可能会产生短路,增加电极之间的串扰。这一挑战缩短了电池寿命,并限制了电极收集的信号数量。研究人员需要研究不同的绝缘材料,以了解它们如何与BCIs电池寿命相关的大脑相互作用。此外,应开发计算效率高的算法,以确保电池电量的最佳利用。更重要的是,应该研究替代能源(如大脑内部的微动)为植入式脑机接口供电。

5.11 可负担性和便携性

普通大众很难负担得起市场上可买到的BCI设备,因为它们的成本高得令人望而却步,也许是由于它们的复杂性和建筑材料。此外,目前的BCI系统既复杂又笨重,仅适用于实验室和工业环境。研究人员应该为普通人——这项技术的潜在用户——开发经济高效的便携式BCI系统。这个解决方案对发展中国家的人更有用。

结论

在这项研究中,从大脑-计算机接口的角度给出了见解。受到它的好处的鼓舞,社会需要抓住这项技术所倡导的可用机会。为了最大限度地提高BCI技术在社会上的效益和可用性,研究人员和科学家应该解决我们工作中强调的技术的潜在威胁。我们可以通过多学科的努力来解决当前BCI系统的局限性,从而充分利用该技术的优势和能力。

鉴于BCI成分,可以采取五个可能的研究方向:认知心理学、医学、生物医学电子学、信号处理和工程学。这些方向需要多学科的研究,其中研究人员密切合作,以解决BCI的子挑战。心理学家和医生应该提供大脑的基本工作原理;科学家应该开发有效的信号采集设备以及处理大脑信号的算法(特征的提取、分类和翻译);工程师应该开发物理BCI应用程序,并根据预定义的标准评估它们的性能。

我们断言,BCI领域有许多研究机会尚未被探索。从所有回顾的文献中,观察到脑机接口中存在的挑战很少受到关注。建议研究界应对挑战并扩展BCI提供的能力,包括开发BCI-互联网和BCI-CBI通信设备。此外,研究人员可能会探索身心干预方法,如催眠疗法,如何改善BCI系统.然而,无论发展情况如何,BCI的首要目标应该是通过提高人民的生活质量来促进人类进步。

尽管BCI的能力和优点大有可为,但仍有大量挑战和威胁没有得到充分应对。此外,目前临床试验的参与者人数似乎很少,而且没有多样性,这使得结果的普遍性受到质疑。此外,应建立全球标准,以开发安全和高质量的BCI产品,并将威胁降至最低。在这方面,虽然BCI开启了我们未来的福祉,但这项新兴技术需要深入研究,包括许多临床试验,才能实际应用。由于现有的挑战和威胁没有得到令人满意的解决,该技术可能还没有准备好供社会消费。这一结论得到了其他几项研究的部分支持和学术交流。

我们未来的工作将集中在解决一些来自BCI中部的威胁,即信号处理。使用公开可用的数据集,我们将开发计算成本低廉的算法,用于加密、提取、分类和翻译来自大脑的特征。将建立准确性的措施,以确保开发的算法给出准确模拟用户行为的计算机命令。请注意,还没有普遍接受的标准来衡量BCI应用的准确性,我们将试图缩小这一研究差距。

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