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產業大腦 | 腦機接口技術五大應用領域分析

近日,美國神經科技和腦機接口公司Neuralink的聯合創始人埃隆·馬斯克(特斯拉CEO)表示,他已經將自己的大腦上傳到云端,并已經與自己的虛擬版本交談過。這一消息在全球的科技領域引發了熱議,有關腦機接口技術又一次引發社會的關注。

腦機接口技術,又稱腦機融合感知技術,是以計算機、電極、芯片等外部裝置設備代替神經、肌肉等常規中介來實現大腦與外界信息交互的新型通信控制技術,是一種顛覆傳統人機交互的新型技術。腦機接口技術融合了腦科學、神經科學、信息科學、材料科學、生物科學、系統科學、醫學工程等多學科知識,將生物學意義上的大腦與人造的智能設備系統融為一體,以實時感知和翻譯意識,實現機器與人類零距離的信息交換。在過去幾十年里,腦機接口技術不斷獲得突破,相關研究成果向外界展示了極高的應用價值。腦機接口技術不僅在醫學領域應用潛力很大,在教育、娛樂、軍事、金融、智能家居等非醫學領域也具有不錯的應用前景。

01

腦機接口技術在醫學領域的應用

腦機接口技術可以直接實現大腦與外部設備的交互,開辟了非常規的大腦信息輸出通路。在為運動障礙和交流障礙患提供可選的與外部世界交流的渠道方面,腦機接口已形成初步的系統用于實驗室測試,在可預見的未來,將會在臨床上有廣泛的應用。隨著現代醫學對大腦結構和功能的不斷探索,人類對于視覺、聽覺、運動、語言等大腦功能區有了更加深入的研究,通過腦機接口設備獲取這些大腦功能區的信息并進行分析,在神經、精神系統疾病的診斷、篩查、監護、治療與康復領域擁有廣泛的應用空間。當前醫學健康領域是腦機接口技術最大的市場應用領域。

1.醫學領域

1.1 肢體運動障礙

導致肢體運動障礙的疾病很多, 腦出血、 腦外傷、腦卒中等疾病都可導致患側腦區對應的肢體控制出現障礙。腦卒中等疾病造成的運動功能障礙是最常見的功能障礙之一,運動神經元受損導致的肌萎縮側索硬化癥(漸凍癥) 也可導致患者肌肉萎縮無力導致嚴重的運動障礙。腦機接口技術在肢體運動障礙診療的目標是通過該技術的輔助治療,使患者改善當前狀態,提高生活質量。

腦機接口的改善功效可用于腦外傷、腦卒中和癲癇等疾病的治療。腦機接口的恢復功效可用于腦卒中后上下肢運動功能障礙的康復訓練,通過主動康復訓練促進運動皮層的神經可塑性,也可用于肌無力和脊髓損傷等疾病的恢復。腦機接口的替代功效可為肌萎縮側索硬化癥、閉鎖綜合征、重癥肌無力或失語癥等患者提供輔助性的工具以幫助其日常生活,如腦控假肢、腦控輪椅和腦機通信系統等。

腦機接口技術在肢體運動障礙領域的應用方式主要有兩種:一是輔助性腦機接口, 即通過腦機接口設備獲取患者的運動意圖, 實現對假肢或外骨骼等外部設備的控制;二是康復性腦機接口,由于中樞神經系統具有可塑性,經過腦機接口設備直接作用于大腦進行重復性反饋刺激,可以增強神經元突觸之間的聯系,在一定程度上實現修復。

1.2 精神疾病診療

有關數據顯示,近幾十年來精神疾病的患病率持續升高,越來越多的特定人群對于精神和心理健康的改善有著迫切的需求。以抑郁癥為例,接近30%的抑郁癥患者屬于難治性抑郁癥,傳統的藥物治療、物理治療以及認知行為治療方法在這類患者身上的治療效果欠佳。腦機接口技術的發展,有望大幅提高一些疑難性精神疾。ㄈ鐝娖劝Y、抑郁癥、精神分裂癥等)的研究和診療水平。腦機接口的神經調控功效基于輸入式BCI和NF技術,可促進異常腦結構和功能的可塑性正向發展,從而促進康復,如用于調控強迫障礙、創傷后應激障礙、輕度認知障礙、情緒障礙和藥物依賴性(如酒精、煙堿、大麻或阿片類等)等神經精神疾病。

與其他生理信號相比,腦電信號可以提供更多深入、真實的情感信息。通過學習算法,提取腦電信號特征,能實現多種情緒(如悲傷、憤怒、恐懼、驚訝、愉悅、平靜等) 的判斷分析,從而用于輔助治療抑郁癥、焦慮癥等精神類疾病,并研究其發病機制。在精神疾病康復治療方面,基于腦機接口的神經反饋訓練可在抑郁癥、焦慮癥等治療中發揮積極作用。

越來越多的科研機構和科技公司都在開展相關研究,例如馬斯克旗下的Neuralink公司正在研究通過腦機接口技術解決精神分裂癥和記憶力喪失等精神疾病。國內方面,2020年12月,上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腦機接口及神經調控中心正式成立,中心的第一個臨床腦機接口研究項目“難治性抑郁癥腦機接口神經調控治療臨床研究”同時啟動,通過多模態情感腦機接口和腦深部電刺激方法治療難治性抑郁癥。

1.3 意識與認知障礙診療

因顱腦外傷、 腦卒中、 缺血缺氧性腦病等病陷入昏迷, 繼而進入長期的意識障礙狀態的患者,傳統意義上的“植物人”狀態,數量也較多。目前對這類患者還沒有綜合系統規范的治療方式,如何加快意識障礙患者的功能恢復已成為亟待解決的臨床問題之一。

通過腦機接口設備獲取并分析患者的腦電信號,可以掌握患者的意識狀態,實現意識障礙診斷與評定、 預后判斷, 甚至與意識障礙患者實現交流。具體方式是,通常采用患者自己的名字、 照片等信息,通過聲音、圖像、觸覺等作為靶刺激,以小概率出現,其他無關刺激以高概率隨機出現,腦機接口設備獲取患者受到靶刺激后的腦電信號,分析患者狀態, 部分患者可能對靶刺激有特異性反應, 這種“腦電交流”有助于醫生判斷患者是否有喚醒康復的可能,從而針對性的采取治療措施。

1.4 癲癇和神經發育障礙診療

癲癇與皮層神經發育缺陷密切相關。癲癇領域是腦機接口系統最早應用的領域之一,其發作具有典型的電生理異常, 呈現狀態性特點,癲癇的診斷中,腦電一直是臨床診斷的重要標準。隨著采集設備與方法等技術的突破, 對腦功能和疾病的研究越來越深入,腦機接口在癲癇領域已經產生了一些相對成熟的應用。癲癇的診療中,通過腦電輸出和判斷大腦的功能和疾病的信號,通過對顱內電極的電刺激輸出“指令” , 以誘發患者功能區的響應,通過手術切除、熱凝、激光損毀等技術實現改變和治療大腦的癲癇網絡,目前已在臨床成熟應用。

02

腦機接口技術在其他非醫學領域的應用

腦機接口技術除了在醫療健康領域的應用之外,在其他非醫學領域也具有潛在的廣泛應用。

1.軍事領域

腦機接口技術在軍事領域屬于前瞻性研究和嘗試應用,如戰士可以通過佩戴腦信號采集帽對相應武器發出作戰指令,達到降低人員傷亡,加強作戰能力的目的,還可以監測作戰人員的生理和心理狀態,利用監測到的數據及時分析戰士情緒、注意力、記憶力等生理心理指標,從而增強相關作戰人員軍事技能的表現。2020年8月,美國智庫蘭德公司發布了《腦機接口在美國軍事應用中作用的初步評估》研究報告,認為BCI技術很可能在未來的戰場上具有實際用途,如提高通信速度,增強環境態勢感知能力,并允許操作員同時控制多個技術平臺。

2.教育領域

在教育方面,腦機接口技術可以實時監測學員的大腦狀態,通過分析和評估大腦狀態與學業表現之間的關系,建立基于BCI 的個性化教學環境。在特殊教育領域,腦機接口技術可幫助特殊教育的學習者增強甚至重建身體缺損的感官功能,并通過操控肢體的輔助設備提高學習效率,重建與暢通整個學習反思鏈條,從而順利完成各項學習任務。在教育資源匱乏的地區,應用腦機接口技術有助于緩解師資緊缺的局面。腦機接口等數字技術的適當介入,可以使學生的認知能力得到延伸,增強學習體驗感,激發深入學習的興趣。在智慧課堂教學實踐中,腦機接口技術能夠實時監測每一個學生的身體狀態、情緒狀態和思維等方面的動態變化,便于教師適時調整教學策略,并對學生進行針對性指導。當融入虛擬現實設備后,更有助于營造一個身臨其境的氛圍,能夠使學生增強感官效果,提升具身體驗,進一步提高學習效率。

3.娛樂游戲領域

在娛樂游戲方面,可以將腦機接口技術與虛擬現實(virtual reality,VR)技術相結合,通過佩戴在玩家頭皮上的傳感器采集腦信號,然后將信號傳輸至計算機,并由解碼算法將信號轉化為游戲中需要執行的指令,就可以實現用“意念”玩游戲,這不僅可以提升游戲的娛樂性,而且對于一些肢體障礙的玩家,也在很大程度上提升了游戲的友好度。腦電信號的采集是腦機接口游戲的重要環節之一,目前用于表征大腦功能狀態的腦信號主要有腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、功能性磁共振成像(fMRI)和功能性近紅外光譜(fNIRS)等。與其他幾種腦電信號相比,基于頭皮腦電的BCI(EEG-based BCI)具有無創、時間分辨率高、成本低、便攜性好等特點,是目前腦機接口游戲BCI主要采用的實現方式。

4.日常生活領域

在日常生活方面,以智能家居為例,腦機接口技術既能通過測量和提取人腦中樞神經系統信號,實現對外部家居設備的操控,也能通過外部設備對神經系統的刺激和神經反饋,實現對中樞神經系統的調控,使得人腦與外部設備之間形成具有神經反饋調控的閉環系統,實現人機或腦機的智能融合。腦機接口扮演的是類似于“遙控器”的角色,幫助人們用“意念”控制開關燈、門、窗簾等,進一步可以控制智能家用機器人。腦機接口技術還可以與通信系統結合,并開發無人駕駛汽車。而基于腦接機口的腦-腦聯網應用是更加前沿的未來潛在的研究及應用方向。

腦機接口技術被稱為“人工智能的下一步”,展現了無限可能,吸引著科學家們前赴后繼,不懈攻關,也將是國際競爭的焦點。

 作者 | 火石創造 劉宇

 審核 | 火石創造 廖義桃 殷莉

       原文標題 : 產業大腦 | 腦機接口技術五大應用領域分析

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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