中国首例!脑机接口接入,助高位截瘫病人用意念喝水!

发布于 1月17日  约 8 分钟

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张先生今年 72 岁,两年前因为车祸造成第四颈髓层面损伤,四肢完全瘫痪。

就在昨天(1 月 16 日),浙江大学医学院附属第二医院通过“脑机接口技术”让张先生可以用「意念」控制机械臂,经过系统训练后,现在不仅可以握手,还能拿饮料、吃油条、玩麻将...

一次尝试,两个全球首例!

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所谓脑机接口,就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,实现在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下,脑部的信号也能通过计算机解读,直接控制外部设备。

早在 2012 年,该团队通过在猴子脑中植入微电极阵列,理解了猴子大脑中关于抓、勾、握、捏四种动作的神经信号。2014 年该团队开始尝试在人脑内植入皮层脑电电极,使受试者可以通过“意念”操控机械手完成“石头、剪刀、布”动作。

此次脑机接口的启用,达成了两项「全球首例」成就:

1.全球首例用手术机器人完成的电极植入手术

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首先,用于脑机接口的电极必须要植入大脑运动皮层神经元中的第五层。该团队利用步进为 0.1 毫米的手术机器人将两个微电极阵列送入既定位置,误差在 0.5 毫米以内。

2.这是全球首个针对高龄患者的成功案例

目前国际上已报道的植入式脑机接口案例中,患者均为中青年人。此次引入非线性、神经网络算法,设计了一套专门针对高龄患者的方案,也是国际上首个针对高龄患者的成功案例。

脑机接口的发展历程

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对于脑机接口相关的研究,最早可追溯到 1924 年人脑电波活动的发现以及对脑电图的开发与应用。

1973 年,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校教授 Jacques Vidal 首次提出了「脑机接口」的概念,算起来,人类对脑机接口的研究已经快 50 年时间了。

其实我国也一直致力于脑机接口领域的相关研究,并且在国际范围内也取得了一定成果。

清华大学在 2001 年就实现了通过入侵式脑机接口控制鼠标、控制电视各个按键。2006 年它们通过这种方式,控制两个机器狗进行了一场足球比赛。

2017 年,中国科学院半导体研究所及合作研究团队提出任务相关成分分析算法,将稳态视觉诱发电位脑机接口的通讯速率进一步提升到5.4 bit/s,最优结果达到6.3 bit/s,是截至2019年8月为止,有报道的最快头皮脑电脑机接口系统。

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脑机接口技术目前主要分为两种:

  • 侵入式脑机接口
  • 非侵入式脑机接口

侵入式脑机接口需要通过手术在大脑中植入电极或芯片。人的大脑中有上千亿个神经元,通过植入电极,可以记录局部场电位和神经元的活动。

侵入式脑机接口的优点是获取大脑信号的质量好,时间和空间解析度高。但缺点就是因为需要进行深度手术,所以存在较高的风险。

非侵入式脑机接口无需动手术,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(EEG)、功能近红外光谱(fNIRS)和功能核磁共振成像(fMRI)等,其中以 EEG 最为常见。

EEG 就是我们经常看到的「电线帽子」:

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通常由头戴式的脑电帽通过电极从头皮上采集,可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动。

了解完技术实现手段,我们再来看一下目前脑机接口的主要应用场景:

1.替代

以霍金为代表的脊髓侧索硬化症患者,就是此类脑机接口系统的重要应用对象。这些患者的共同特点是,他们有相对完整的思维能力,但丧失了对肌肉和外周神经系统的自主控制能力。

2.恢复

脑机接口的输出可以恢复丧失的功能。如人工耳蜗已经帮助数十万失聪病人恢复听力,人工眼球可以帮助失明病人重新看见东西等。中风患者在失去肢体控制能力后,也可以通过脑机接口技术对患者的大脑运动皮层进行训练,帮助病人进行康复。

3.增强

增强主要是针对健康人而言,实现机能的扩展。在工程心理学领域,机动车驾驶员、飞行员、航空空中交通管制员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度等状态对于作业绩效、工作安全都十分重要。脑机接口所提供的实时监测数据为工作管理提供了重要的客观依据,能够更好地保证人员安全和工作绩效。在市场营销领域,脑机接口技术可以用于评价观看广告、电影、电视等媒体内容的观众情绪体验,以及更加广义的人机交互情景下的用户体验。

4.补充

对于控制领域,除了手控的方法之外还可以增加脑控方式,实现多模态控制,这里脑机接口作为原来单一控制方法的补充。在游戏娱乐领域,脑机接口为游戏玩家提供了独立于传统游戏控制方式之外的新的操作维度,丰富了游戏内涵并提升了游戏体验。

5.改善

例如针对康复领域,对于感觉运动皮层相关部位受损的中风病人,脑机接口可以从受损的皮层区采集信号,然后刺激肌肉或控制矫形器,改善相关的动作。具体的案例比如减少癫痫发作,改善自闭症、抑郁症的症状。

据了解,目前全球脑中风、脑及脊髓损伤导致肢体运动瘫痪后遗症的病人接近 1 亿,仅中国就有两三千万。

尽管目前入侵式脑机接口植入并非永久性的,技术能力也还有待提高,但对于广大瘫患病人而言,脑机接口技术,已经让他们看到了提高生活质量的希望。

躲不过的争议

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新技术的快速商业化可能会随之而来很多的争议,还是用脑机接口来举例,前一阵儿闹得沸沸扬扬的「赋思头环」,就因为涉及”监控学生“、“违背教育初衷”、“涉嫌收集学生隐私数据”等问题受到广泛质疑。

所以,脑机接口技术大发展,即给一部分人带来希望与期待,也让一部分人惶恐担忧。美国曾经对民众做过一项调查,结果表示:脑机接口比基因编辑更令人担心。

《连线》杂志给出的理由是这样的:

“既然脑机接口能够为受伤或瘫痪的士兵带来恢复行走的可能性,能够帮助瘫痪病人使用他们的意识来打字,或者能够为截肢的患者装上仿生四肢来‘恢复’知觉,那么一旦大脑被‘入侵’上述提到的这些 BCI 功能依然有用武之地——操纵他人或者…谋杀。”

毕竟,我们对大脑的绝大部分一无所知。


特邀行业观察员: 回车科技 CEO 易昊翔

脑机接口领域这些年越来越火,不管是在科研领域,还是在商业应用领域,都有非常多不错的成果和突破。中国在这个领域取得的进步也非常大,一些研究成果已经达到了世界最前沿的水平,获得了全世界科研工作者的认同。

但是,脑机接口这个领域依旧处于非常早期的阶段,很多我们看起来“科幻“的成果,距离实际应用都还有不小的距离,离大规模应用可能还有3年以上时间,这需要整个行业的人一起再接再厉。

当然,这个领域的成功应用未来一定会给我们创造巨大的价值,对我们生活的改变和影响绝不会小于电脑、手机、互联网等技术的普及,并且相信这一定会实现,我们都非常期待!

企业介绍:

回车科技是国内第一批研发消费级脑电产品的企业,在单导干电极脑电领域拥有核心技术优势,技术团队成员均来自于浙大等高校相关实验室,掌握着脑电领域最先进的科学技术。公司旗下「回车」品牌旨在向大众传达“智能,温暖你的生活”理念,研发各类智能可穿戴用品,致力将健康和快乐带给每一个人。


部分资料来源

1.浙青网-青年时报:《心有灵犀一点通,浙江大学完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究》
2.神经计算与应用:《脑机接口技术与应用》
3.智东西:《中国首例!大脑植入电极,高位截瘫病人用意念喝水》
4.CV智识:《2019惹人争议的黑科技:脑机接口、冻卵、基因婴儿、人造肉》

该项研究受到国家重点研发计划“基于脑机接口的脑血管病主动康复技术研究及应用(2017YFC1308500)”、国家重点研发计划“脑机融合的脑信息认知关键技术研究(2018YFA0701400)”、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“脑神经网络复杂系统的实时解析与调控仪器研制(31627802)”的资助。

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