脑机接口|第一辑:脑机接口的技术趋势

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在序言中(脑机接口的前世今生),我们已经介绍了脑机接口的相关定义,科学技术正在不断拓宽人类想象的可能。那么,脑机接口的技术体系与发展趋势是怎样的呢?

脑机接口|第一辑:脑机接口的技术趋势

脑机接口技术体系

总体来说,脑机接口技术体系分为硬件层、软件层和应用层。

硬件层包括脑电采集设备和外控设备。脑电采集设备包括核心零部件和器件、电极、芯片、电源和材料。电极的关键技术包括干电极、湿电极和柔性电极刺激技术。传统大脑刺激多用电或者磁,存在容积传导问题。前沿的无创刺激方法包括用超声信号深入聚焦定向刺激大脑深部,达到调控或治疗的效果。

软件层包括生物信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。脑机理认知方面一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理的不断认知,采集获取的数据量越来越庞大,未来将陆续面临数据压缩算法和存储技术,以及高通量高速数据无线传输等方面的挑战。此外,基于脑电的信息认证及信息安全、隐私保护也将是软件层重点研究和解决的问题。

应用层包括生物医疗、教育、娱乐、AR/VR、军事工程和智能生活等方方面面的应用。脑机接口早期发展的应用场景主要集中在脑科学科研和医疗康复,近几年研究及应用领域逐渐扩大,从代替现有的部分功能转变为增强人类的各种感知能力,包括治疗、脑增强和脑沟通等方面。

作为一门交叉学科,脑机接口的关键技术发展需要多学科的协同进步。例如,电极和探针有赖于材料学、基础化学、合金工艺等学科的进步,芯片有赖于基础物理、量子力学、量子计算等基础学科,芯片能力和计算速度提升有赖于新的计算模型开发等应用科学;外控外联设备对底层科研要求更高,甚至依赖工程和工艺进步。

脑机产品的分类

脑机产品可以分成侵入式和非侵入式。

进一步的,侵入式脑机接口技术可以根据是否植入皮层内或创伤的程度,细分为完全侵入式脑机接口和微创式脑机接口。

侵入式脑机接口因直接植入大脑灰质而获取高质量和高信噪比的神经信号,细胞水平的空间分辨率和时间分辨率较高,但安全风险较大,容易引发免疫反应和愈伤组织,进而导致信号质量衰退甚至消失。

据澳大利亚新南威尔士一所医院数据显示,在71起侵入式电极治疗癫痫的手术中,死亡率高达2.8%。由于人体排异反应,很多芯片在插入人体后表面被结膜,导致信号快速衰减,因此侵入式技术更多应用于医疗或实验等专业场景,如重症康复和治疗。

非侵入式脑机接口技术,无需动手术,直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非侵入式信号有头皮脑电、功能近红外光谱和功能核磁共振成像等。由于颅骨导致的信号衰减作用和电场分散模糊效应,导致信号分辨率低,很难确定发出信号脑区或相关放电的单个神经元,导电膏失效时信号也无法传输。不过非侵入式技术产品由于安全性高、成本低、可接受度高,成为面向消费应用市场的主流,占据了美国85%以上的市场份额。

不过,微创式脑机接口技术也在发展之中。

微创式脑机接口技术是通过皮层或血液注射形式植入采集设备或硅传感器。这种高通量柔性脑机接口技术有望打破侵入性解决方案的束缚,提高植入的安全性,发展势头良好,正在成为研究热点,并可能用在脊髓损伤、脑卒中、癫痫和抑郁症治疗中。

比如,美国和中国企业都在研究这种微创技术。微创脑机接口技术让部队以快于语音或键盘的方式与飞行系统或网络防御系统进行通信,或脑控无人机和坦克。这种技术是在纳米传感器和头盔收发器之间建立双向通信回路,以能排出体外的纳米换能器实现电信号和磁信号的转换。血管注射方式即将数百万个碳纳米管用注射器注入静脉和动脉,最后进入大脑,形成类似纹身一般印在大脑上的电极阵列,但纳米材料进入人体造成的反应尚不明确,有待进一步研究。

技术发展趋势

未来脑机技术的创新发展按照信息传输方向分类,或将是从脑到机、机到脑、脑到脑和脑机融合四个方向发展。

1)“脑到机”的信息传输方向是由大脑到机器。

基本原理是:通过脑信号检测技术获取神经系统的活动变化,识别信号类别和动作意图,用计算机把思维活动转变成命令信号驱动外部设备,实现大脑直接控制外部环境。

2)“机到脑”的信息传输方向由机器到大脑。

基本原理是:对生物大脑或其他神经系统特定部位施加精细编码的外部刺激(如微电刺激、光刺激),来唤醒或控制生物的某些特定感受和行为。当前机到脑的实际应用多以无创物理刺激手段进行,以改善大脑功能和行为,目前已经在睡眠、认知增强、精神类疾病干预等方面开展了大量的应用研究。

3)“脑到脑”是大脑与大脑之间的网络通信。

基本原理是:通过对一个大脑的神经信号实时解码并重新编码后直接传输到另一个大脑,从而对另一个大脑产生作用。大脑间直接通信可作为新型生物体交互手段,对神经康复、脑机协同具有重要参考价值。相关研究目前较少。

4)“脑机融合”是大脑和机器的深度融合。

基本原理是:大脑与机器互相适应、协同工作,把生物脑的感知能力与机器的计算能力结合,生物和机器在信息感知、信息处理、决策判断,甚至记忆、意图多个层次相互配合。

脑机技术极有可能颠覆传统的人机交互模式,使人类不再仅通过键盘和鼠标与机器沟通。凡是大脑可以操控的现实场景,都可以通过脑机接口来实现,实现人与万物互联。

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