趋势4:脑机接口有望在康复领域先行突破

|2021科技应用趋势 作者:腾讯研究院 2021-01-13

 

       脑机接口(英文为brain-computer interface,简称BCI),指在脑与外部设备之间建立直接的通讯和控制通道。脑机接口与脑科学不仅为人类的健康和强化带来想象空间,也是理解、改造自然和人类本身的“终极疆域”,成为全球各国科技竞争的战略高地,美国、欧盟、日韩等相继发布“脑计划”战略。2016年,我国“十三五”规划纲要将包括脑机智能新技术在内的“脑科学和类脑研究”列入国家重大科技创新和工程项目,2020年“十四五”规划进一步将脑科学列为国家战略科技力量。

      脑机接口技术在康复领域已初步展现出应用潜力。自二十世纪七十年代起,伴随神经科学、材料学、工程学持续发展,脑机接口技术在运动、视觉、听觉皮层信号解读方面取得进展,在医疗健康领域也实现了多种类型的应用。一是辅助感觉接收器官,将声光刺激转化为电信号,如人工耳蜗(1978年)、人工视网膜(2004年)等。二是“脑-机”简单运动控制,构建运动想象模型,识别双手、脚、舌的多模态运动信号,帮助残障人士实现机械辅助进食、行走、打字等。三是支持中风患者进行主动运动康复,以脑运动信号驱动机械外骨骼带动肢体活动,帮助脑区中相应神经元参与学习,重塑部分脑功能。此外,脑机接口在了解注意力状态、增强记忆、帮助睡眠和冥想解压等场景也具有应用空间。

      脑机接口辅助康复的核心任务,是接收和准确识别大脑发出的指令。这一过程可分解为四个环节,即信号采集、特征提取、设备控制和反馈。从成本和易用性看,非侵入式(脑电帽等)方案更具大规模商用潜力。短期发展方向来看,一是要提升数据采集量和建立规范,包括信噪比控制、信号带宽提升、信号采集标准建立、数据样本量提升、基于深度学习提升个体模型训练效率等。二是工程方向升级,在芯片及探针微型化、无创/微创植入、长期在体等问题逐步解决后,对病人实施开颅手术,进行半侵入或侵入式采集,从微观神经元层面获取更为准确的电信号。如马斯克的neurallink公司在2020年展示的方案,具有信号带宽大、设备尺寸小、机器人“缝纫机”式自动植入、无线连接、多传感器等特性。长远来看,全脑接口和双向接口是脑机接口的发展方向,实现脑信号的全面读取,完成“脑控”与“控脑”双向闭环。这不仅在医疗健康、教育、娱乐、军事等领域有广阔应用前景,也将根本性地改变人类社会的运作方式。

      脑机接口技术距离突破性发展和大规模商用尚需时日,主要挑战在于脑的复杂性。一方面,语言、情绪等高级心理活动涉及多个脑区、亿万神经元的活动。另一方面,脑活动高度依赖外部反馈形成闭环。现有脑机接口方案在处理简单运动、视听觉之外的场景时捉襟见肘。而“机-脑”方向进展甚微,致使无法经由反馈实现精准动作、复杂操作。因此,脑机接口技术与应用的发展需要基础研究和产业实践融合,多学科合力推进,软硬件技术协同发展。如硬件方面更精密的电极、更生物友好的材料,软件方面更丰富的数据库、更明确统一的数据标准、以及更先进的机器学习算法等。

前沿杂志
互联网前沿42

无人驾驶汽车正从科幻变成现实。作为第二次机器革命(即如今的人工智能变革)的重要产物和标志,无论从未来5年、10年抑或20年来看,无人驾驶汽车都可能产生巨大影响,这些影响牵扯到人类生活的方方面面,需要政策制定者现在就开始绸缪无人驾驶汽车的未来并应对其潜在影响。

2018-07-11

全站精选