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2017年脑机接口研发热点回眸

2018-02-09  来源:科技导报  作者:张丹,陈菁菁,王毅军

脑机接口(brain-computer interface,BCI)通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息,构建大脑与外部世界的直接信息传输通路,在神经假体、神经反馈训练、脑状态监测等领域有广泛的应用前景。2017年可以说是脑机接口发展的新起点,在近年来一系列脑机接口相关科学研究突破的推动下,脑机接口技术开始走向成熟,正在得到工业界越来越多的关注和投入,例如,创业领域领军人物Elon Musk等投资创立面向神经假体应用和未来人机通信的脑机接口公司Neuralink,互联网领域领军企业Facebook宣布开始研发基于脑机接口的新一代交互技术。这些行动引起了热烈讨论,也将促进脑机接口技术进一步的加速发展。本文立足于2017年脑机接口研究动态,首先介绍脑机接口在应用系统实现方面所取得的年度重要成果,随后介绍应用关键技术研究的新进展,最后对未来发展趋势进行展望。

一、应用系统实现:更有效的交流与控制 

字符输入 

让重度运动障碍患者重获与外界交流沟通的能力,是脑机接口的最重要应用目标之一。继近年来基于头皮脑电的字符输入研究取得突破性进展之后,2017年2月,美国斯坦福大学的研究团队报告了一项利用颅内脑电进行字符输入的高性能脑机接口应用系统。在该系统中,研究者在脊髓侧索硬化症和脊髓损伤瘫痪患者的运动皮层负责手部运动的区域植入高密度微电极阵列采集动作电位和高频的局部场电位,解码这些电极上的神经活动信息实现对屏幕上二维光标的连续控制以及字符选择的“点击”动作,从而让患者实现通过屏幕虚拟键盘输入文本与外界交互(图1)。3 位使用该系统的瘫痪患者分别实现了每分钟39.2、31.6、13.5个英文字符的输入,这也是目前在运动障碍患者中所实现的最快信息传输速率。与头皮脑电相比,植入颅内的电极所得脑电信号的信噪比更高、信号更稳定,在面向瘫痪病人的脑机接口的临床应用方面有独特的优势。该研究发表在神经科学与神经工程领域的前沿期刊《eLife》上。

 

1 一位脊髓侧索硬化症患者通过脑机接口系统进行字符输入

动作控制 

控制轮椅、机械手臂等动作辅助装置对于提升重度运动障碍患者的生活质量有着与字符输入同等重要的意义,也是脑机接口领域的重点研究方向。2017年5月,来自美国凯斯西储大学的研究团队在国际领先的临床医学期刊《The Lancet》上发表的研究则在这个方向上更进一步。他们将脑机接口与功能电刺激技术结合起来,使患者可以控制自己原本瘫痪的肢体与外界进行动作交互。   

功能电刺激(functional electrical stimulation,FES)是一项通过对外周神经和肌肉组织施加电刺激,使得高位截瘫患者能够重获四肢运动能力的技术(图2(a))。该项研究中,研究者通过植入式脑机接口系统将直接提取创伤性高位颈脊髓损伤患者位于运动皮层负责手部运动区域的脑神经信号,以高频带的频谱能量和动作电位超过阈值的次数为特征,解码出对应的功能电刺激器的刺激参数,控制功能电刺激器,对患者已瘫痪的手臂输出电刺激引发肌肉活动。患者在经过一定时间的训练后可以实现探出(reach)和抓取(grasp)的动作,在测试阶段,患者在12次尝试中有11次成功实现了使用自己已瘫痪的胳膊和手掌完成喝咖啡任务(图2(b)),每次任务时间在20~40 s。该脑机接口系统能够帮助患者实现连续的动作控制,接近实际生活中的动作模式,有望在未来帮助患者实现对瘫痪肢体的自然流畅动作控制,从而大大提升患者的生活品质。

 

2  结合颅内脑机接口与功能电刺激实现患肢闭环控制

基于脑机接口的动作控制应用不仅可以服务于用户的控制需求,还可能有更多的医学意义。幻肢痛是一种病人对他们不存在或者已经瘫痪的四肢感觉到疼痛的疾病,目前尚无有效治疗方案。日本大阪大学的研究团队发现利用脑机接口训练使得幻肢在感觉运动皮层的表征减弱,可以有效地减少幻肢的疼痛感,脑机接口训练有望成为一种可面向临床的幻肢痛治疗手段。该研究成果发表在《Nature Communications》期刊上,并获得2017 年度脑机接口研究奖(2017 Annual BCI Award)第3名。   

完全闭锁状态患者信息输出 

脊髓侧索硬化患者是脑机接口系统的重要目标患者群体。脊髓侧索硬化症,又称渐冻症,发展到最严重的情况时,患者将完全失去对所有肌肉的控制能力,这种情况被称为完全闭锁状态(completely locked-in state,CLIS)。现有脑机接口系统往往部分依赖患者的残留神经与肌肉控制能力,无法适用于这样的患者。2017年1月,来自德国蒂宾根大学的研究团队基于功能近红外脑功能成像,实现了首个可应用于CLIS患者的脑机接口系统。研究者通过分析功能近红外采集到的额叶中部血液含氧量变化进行分类,4名患者经过数周训练后,可以对一系列语音呈现的问题通过调节脑神经活动模式来回答“是”或“不是”,正确率在70%左右。该项工作发表在《PLoS Biology》期刊上。  

二、应用关键技术进展:新硬件、新算法、新范式 

新硬件 

脑机接口实用化系统的构建对脑神经信号采集与处理设备的小型化、无线化提出了高要求。虽然目前已有不少基于脑电的小型化设备推出,但是能同时采集多种神经生理信号的小型化硬件还不多见。2017年6月,德国柏林工业大学的脑机接口研究团队发布了一款可同时采集脑电、功能近红外脑功能像,以及其他常规生理参数(如心电、肌电和加速度等)的无线模块化硬件架构(M3BA:a mobile,modular,multimodal biosignal acquisition architecture),其中每个M3BA模块(不含电池)的边长仅为42 mm(图3)。这是首个同时兼备了模块化、可移动化、小型化、多模态和可扩展性的多生理参数采集架构,对实现脑机接口技术走向实际应用具有积极意义。

 

3  M3BA概念图

关键词:脑机接口 解码 思维