脑机接口领域又一重要成果！

发布日期：2022/3/31 17:06:22      浏览量：

作者：余淼

“ 以脑-机交互（BCI）为核心的神经工程技术，让人类真正可以做到“心想事成”。

 

据首都医科大学官网报道，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科贾旺教授团队联合斯坦福大学化学工程系鲍哲南院士、天津大学化学系胡文平教授的团队，创新性地采用导电聚合物的分子设计新策略研发出本征可拉伸电极材料，在加工到2微米尺度下仍能保持可拉伸性和高导电性的特征，实现了可拉伸有机电子器件领域的重大突破。

01.

这一研究成果3月25日在线发表于Science期刊（影响因子47.728），实现了中国神经外科领域以第一或通讯（含共同）作者在Science顶刊上发表论文零的突破。

要知道，脑机接口的研究进展中，脑信息传感方式一直是一个难题。可以说，业界针对脑机接口的研究中，数据源的获取载体----侵入式/非侵入式脑机接口材料研发为关键一步，涉及到的数据采集精度、频率、完整性等直接影响下一步的分析应用。其中采用侵入式传感信息采集技术，获得的数据精度最高，可长期且稳定的记录高空间分辨率的皮质内神经信号，最有利于研究的开展。然而实际研究中，用于侵入式采集信息的无线电极材料要求十分高，要求兼具高机械强度与高导电率，导致传感材料的选取既重要又艰难。

该成果在侵入式采集信息领域，提出的柔性可拉伸高密度微阵列电极可紧密贴合在脑干等不规则区域。根据实验验证，该材料可实时且高精度地可视化脑内术腔神经传导束或脑干等重要部位的神经核团。

图2：拓扑超分子网络允许大面积、高密度可拉伸电极阵列的直接光图案化

这种材料，可以使侵入式传感设备与人体组织的契合更加精密。想想，该材料可以支持在脑干、手腕、手指、手背中做相关植入，且柔性、可拉伸、高导电和高密度的特性，使脑干或神经外科术腔等多种不规则场景更加适用，纤薄的电极也不容易损伤，未来，高精度的信号采集可以使神经系统的算法控制更加精准，这将是脑机接口技术的重要进步！

是的，你没看错：伴随着传感材料的突破，加之以人工智能算法，未来几年内，脑机接口将会带来一场医学革命，将人工智能与机器智能的融合推向更顶峰，在康复、特种等领域前景广阔，对现代医学发展意义重大。 

02.

脑机接口，一个十分前沿的医工融合研究领域，是通过分析人( 或动物) 的脑电信号而建立起来的交互系统。它突破传统的神经反射弧结构限制，通过使大脑神经信号直接与计算机进行有线或无线通信，达到与外部电子应用设备直接进行控制和交流。可以说，通过融合神经科学与工程技术，脑机接口实现人与机器互联互通，将真正助力人类达到终极梦想“心想事成”。

脑机接口系统的构成和其他通信控制系统并无本质区别，都由信号采集部分，信息处理部分和输出应用设备三大部分组成。

 

第一步，信号采集：高灵敏度、高信噪比、高密度的信号传感是实现高通量脑-机信息交换的前提，也是准确解码脑电信号的基础。采集方法属于侵入式和非侵入式两种。可以讲，传感信号采集设备的位置决定了检测到的信号的不同尺度。侵入式可长期且稳定的采集记录高空间分辨率的皮质内神经信号。非侵入式具有安全无创，低成本优势，可监测大规模神经活动。

==>1 非侵入式传感信号采集

目前主流的BCI系统都选择脑电信号（EEG）作为原始输入，这是由于EEG相较于其他伴随脑神经元活动产生，并且经过采集识别可转化为控制信号的信号而言，具有信息量大时间分辨率高，设备便于携带等优点。研究中通常使用无损方式进行脑电信号的采集，采集时被试者要带一个电极帽，也就是非侵入式的传感信息采集法。

当然这种导联电极帽携带不方便，移动性差，因此可穿戴的无线电极横空出世。目前可穿戴EGG传感器获得了FDA的批准，用于癫痫发作的诊断治疗和管理，一些辅助器具的制作也可以帮助截瘫患者进行对外骨骼、轮椅等进行控制。可以说，已经相对成熟，造福人类！

科学家的目标是：在未来非侵入式传感器可以更加地便携、精准，能更快捷更完整地采集信号，方便在各类应用场景的使用，让诊断更为精确。

==>2 侵入式传感信号采集

顾名思义，侵入式即需要将头颅打开，嵌入相关传感设备，对材料和手术的要求更加高。侵入式传感电极中的Utah电极，由美国犹他大学开发，可以通过立体硅加工工艺制作，实现百通道大脑电信号同步记录。另外Neuralink公司开发，通过高分子工艺制作柔性电机，可实现1024通道大脑电信号同步记录。本文开篇提及的创新科研成果，就是该场景下的一种新型的材料！

在侵入式传感信号领域，马斯克的Neuralink公司早在2020年8月推出高通量植入式电极芯片LINKV0.9，并成功将其植入猪脑，可通过检测到的猪大脑的信号准确预测其关节活动。2021年4月，该公司成功让猴子通过意念玩游戏。

不光在动物身上取得突破，在人类身上的侵入式脑机接口研究也有重大进展和应用。布朗大学的研究者利用开发出的BrainGate神经接口使四肢瘫痪的患者第一次在没有护理人员的情况下喝到咖啡，法国的一名瘫痪男子通过康复游戏训练控制虚拟角色，实现了穿上外骨骼装备行走。这样的实验已经屡见不鲜。

侵入式和非侵入式两种技术路径在一定时期内仍将并存和相互结合。目前来看，两种技术路径均适用不同场景，各有所长，也存在不同的难题，短期内无法彼此取代对方，在某种情形下甚至二者需要结合发挥更大效果。

第二步，信息处理：把获取的信号进行特征提取以及解码分析，以达到下一步应用目的。

可以理解，通过第一步采集到的脑信号中通常包含有多种噪声，例如与要求的用户心理活动无关的神经信号、工频干扰、眼电和肌电伪迹等，这在一定程度上降低了信号的质量，为此需要对脑信号进行预处理以剔除噪声，提高信噪比！

不同的脑信号有不同的预处理方法，这些信号处理的方法可极大参考常规信号除燥、提特征的方法。目前主要有时域滤波和空域滤波，在一定程度上可以去除信号的噪声，从而提高信噪比或改善空间分辨率。对于空间分辨率，也可以采用溯源分析方法来改善。在特征提取的环节，围绕数字化的信号，业界通过FFT、小波变换提取相关特征量（如幅值、自回归模型的系数等），再通过SVM等分类器对特征向量进行分类。

想象右手运动脑电信号小波四层分解

第三步，输出应用：该过程把上一步采集分析的信号转化为控制指令，连接到应用终端，达到控制终端、打字表意等一定的应用效果。

根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把上述解码的用户意图所表征的逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号。与脑机接口通信或可控制的外部设备可以是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统（操作其字符输入/光标移动等），也可以是机器系统（如康复机器人、神经假肢和轮椅等）。

中科院常州先进制造技术研究所 (左) 和深圳先进技术研究院 (右) 研发的外骨骼系统 

早在2017年，BrainGate公司就利用脑机接口技术实现了字符输入、控制自己的躯干和手吃饭。最新的实验结果是去年，斯坦福大学、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）、布朗大学等机构的科研人员联合研究，首次从脑电信号中解码手写字母的动作，使瘫痪人士一年中的写字动作可以实时转换成屏幕上的文字。斯坦福大学的研究者将人工智能与“脑机接口”的设备相结合，成功开发出一套全新的皮质内脑机接口系统。该项研究结果显示意念写字速度破纪录，写字速度能达到每分钟90个字符，原始准确率为94.1%！

目前，中国残疾人总数约为8502万人（2010年末数据），其中肢体残疾2472万人，约占比 29%，是6种残疾类别人数最多的群体，因此关于肢体残疾的治疗康复就显得尤其重要。导致肢体运动障碍的疾病很多，脑出血、脑外伤、脑卒中等疾病都可导致患侧脑区对应的肢体控制出现障碍。可见，一旦相关应用得到了产业化，这个市场空间是巨大的！

今后，随着人类的老龄化加重，失去活性的细胞、组织和肌肉群将不断退化，利用脑机接口可以控制辅具，达到强化眼睛看的能力、替代手的抓握能力、控制行走等多种功能！

也就是说，在未来的几十年时间里，即便人类碰上天灾人祸，也可以极大地提高生活质量！

此外，在特种领域，曾有法国研究人员利用脑电信号评估航空学院12名专业空中交通管制人员在模拟空中交通管理情境时的大脑负荷状态，结果表明，神经生理学的结果和操作者的主观负荷评估之间存在非常显著的相关性！现在单兵作战领域也开展了极多的广泛研究！

你还别真以为这是天方夜谭，目前这一切，都已经在实验室里，紧锣密鼓地研发着，也在医疗等相关领域商用着，离普遍应用的时间不会太遥远. 

03.

由于脑科学具有重要的科研价值和战略意义，近年来多国相继提出基于脑科学、神经科学和信息科学相结合的人类脑计划。美国、欧盟、日本、韩国等国家纷纷加大战略布局！我国也高度重视脑机智能关键技术研发和产业化！

中国脑计划框架图

阿里巴巴达摩院发布《2021十大科技趋势》，认为脑机接口极具研究价值，可帮助人类超越生物学极限。脑机接口初创公司NeuraLink在2019年和 2020年分别对外公开了脑机接口重要研究成果，引发了全球广泛关注，热搜指数短时间内激增。我国对脑机接口的关注度也日益提升，在百度搜索引擎中，以脑机接口做关键词的日均搜索热度从2011年的个位数增长到 2021年的日均400次。

脑机接口是一个跨学科交叉研究领域，其中，与生命科学相关的学科领域包括基础神经科学、认知科学和心理学等；与医学科学相关的学科领域包括神经系统、影像医学（包括脑成像）、生物医学工程、神经工程和康复医学等；与信息科学相关的学科领域包括计算机科学与技术、自动化与机器人技术、人工智能（AI）技术和半导体集成电路技术等；与材料科学相关的学科领域等。据中国信通院初步统计，当前相关的专利布局已包括电极材料、硬件采集信号设施、算法、外控辅具设备等多种领域！ 

脑机接口技术相关专利布局

随着计算机科学、神经生物学、数学、康复医学等相关学科的不断探索与交叉融合，加上广大的市场需求，脑机接口技术正从基础科研走向市场。在医疗、教育和消费品等市场，都将带来远超十亿美元的空间！

马斯克认为：未来一定会诞生一种超级人类，即“ 人机合一”。写到这里，不知道为什么，我想起了科幻片《源代码》《黑客帝国》的一些场景，在不远的将来，我们或将迎来这些科幻现实应用！