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电极插到脑袋里?植入式脑机接口探秘
发布时间:2020-10-29 10:14    文章作者:真人麻将

  随着技术的飞跃,越来越多的技术指向脑机接口,使大脑产生的指令绕过肌肉和神经,直接指挥外部机械。最直接的获益者就是瘫痪人群。目前最常见的就是在大脑上放置一个类似于天线的接口,通过电缆线直接接于机械臂,实现端茶倒水的功能。

  就现在而言,脑机接口(Brain Computer Interface, BCI) 技术是通过记录大脑的脑电活动来获得运动意图,然后再将其转化成运动指令来控制外部设备,比如光标、机械手等。可见,BCI实际上是在大脑和外部设备之间,建立一条新型的信息交流和控制通道,从而绕过常规的外周神经和肌肉,实现大脑和外部环境之间的直接通信。说白了就是让脑=手柄,既在假肢运动控制上应用,但已经给残障人士带来了曙光。然而,未来BCI的定义肯定会改变,下文会提到。

  非侵式主要是通过记录头皮脑电EEG 实现对外部设备的控制,也就是在脑袋上戴一个类似于头盔的设备。优点是成本较低,没有创伤和手术风险,但缺点是所能采集的信息量有限,空间分辨率也不够,在控制的实时性和复杂程度方面存在平静瓶颈,目前非侵EEG做文字输入最快的SSVEP方法约每分钟40个词,很难再快了。非侵记录还有脑磁MEG, 功能核磁fMRI和近红外成像NIR,除NIR外,都由于外设昂贵巨大而无法普及,应用只能局限在医疗与科研领域。

  不过非侵的脑机接口还是很好玩滴,你有动手能力甚至可以自己做一套出来:详见前篇播种未来,开源脑机接口

  而植入式就不一样了,想想骇客帝国和阿凡达里的战士。植入式脑机接口是指通过深入到颅骨以下的组织记录到的信号,来实现外部设备的控制,尤其是深入到大脑皮层内,可以记录到神经元水平的电信号,包括单个神经元的动作电位和局部场电位。如此记录的信号时空分辨率高、信息量大,能够实现对复杂任务的实时、精确控制。 感兴趣的可以看看植入式脑机接口的神经信号源简介

  这是Ultra Array电极,想象一下植入大脑皮层就好,免得你们看了真图觉得脑疼

  从1999年开始的大鼠实验让我们认识到植入式脑机接口,随后的飞速发展所带来的震撼让我们确信这个技术所来了的希望。2006年,瘫痪病人能够利用皮层脑电控制电脑鼠标,实现收发邮件、看电视。2012年,瘫痪病人就可控制8个自由度的机械手,完成自主喝咖啡。

  很幸运你的大脑本身没有痛感,至少大部分没有(ACC, PAG等痛觉中枢直接刺激有可能产生痛觉)痛觉产生机制很复杂,但必须由痛觉感受器和神经递质在特定的神经环路中作用。而除脑膜外,大脑本身并没有痛觉感受器。所以,如果你植入了电极后经过康复而一直觉得疼,那可能是你假想出来的幻痛。 (好吧,在被留言发问前打住,没有采访过DBS患者 )

  采集的神经信号的质量好坏是其关键因素之一。但据多年实战经验,记录到神经信号质量的好坏主要跟电极的阻抗最有关,与具体什么材质并无太多关联。(若有留言咱们可以讨论)目前主流的有两种,一种是微丝电极(microwire),一种是半导体衬底的硅电极(silicon probe)。

  不论是何种材质,都面临着一个严峻的问题:生物相容性。电极和大脑之间能否和谐共处?虽然做了大量的研究工作,但仍有很长的路要走。目前,我们所能掌握的电极有效记录时间一般在3个月到1年半。随着时间的推移,所记录到的神经元数目会逐渐减少,记录到的信号会逐渐变弱,从而影响到脑机接口的性能。

  由于电极本身是体外异物,脑组织也会产生免疫排异反应,电极插入脑组织后,大脑里的胶质细胞会逐渐包裹这些异物,这不仅加大了电极和神经细胞之间的距离,同时也使电极绝缘,增加电极阻抗。除此之外,神经元也是很脆弱的,稍微缺点氧就能被憋死,更别提硕大(100微米)的电极压过来,个把月后电极周围就只有凤毛菱角的神经元还活着。

  神经信号捕获后,还要进一步进行解析等等程序,才能最终指挥鼠标、机械手完成我们大脑所想的动作。现有的信息交流很简单、粗暴,未来怎样在大脑和机器之间建立多层次的直接信息交流通道?怎样让大脑和机器在环境感知、信息处理以及运动执行的过程中相互适应。

  脑机接口BCI (BMI) 拆开来说 是三个词 脑Brain,机器Computer(Machine),与界面(Interface), 从词根上讲是本质是Interface,就是互动。高效的操作界面想必是每个程序员的梦想,虽然我们在iphone和安卓的较量中似乎品尝到一点甜头,但离开先进的VR界面比如Magic Leap/ Hologram 还有段距离。

  少数派报告中阿汤哥的酷操界面实际上很累人,我们现在玩ipad久了都知道有多累...

  先进的操作界面是BCI真正踏入成熟的标志。目前AI届通过深度学习让机器在图像识别语音处理等方面大迈进,但对脑信号处理上还需做闭关练功。比如现在可以通过深度学习脑信号解读梦境图像,比瞎拆准。

  诚然,脑机接口不能只是简单的神经信号解读与机械控制,语音指令也能完成,而且现在已经很精准了。但缺乏了反馈,BCI就不是完整的。现在一些先进的公司和实验室正在发展机-脑接口,就是通过植入的电极直接反过来刺激大脑的神经元,从而跳过手眼等身体各种实际的本体感官,直接从脑产生感官。打个比方说就是跳过中间代理商,厂家直接到客户,想定制什么样的感官/记忆都可以通过刺激神经元实现。听起来很酷,实际上还做不到.... 目前已经成熟的反馈接口有DBS(有创),TMS(无创);在开发的比如斯坦福做出来的相位电频刺激是无创的DBS,在生物学界大热的光遗传学(有创)能精准的控制特殊种类的神经元,但需要对电极进行改造,也就诞生了光电极这货(以后有机会再聊)

  精力和能力的平均值=这篇不算科普的杂文。脑机接口会在未来三十年内持续升温,大有取代现在深度学习的趋势。技术的突破会在非侵与植入两种脑机接口之间的界限变得模糊,更重要的是在同步记录神经元的数量,信噪比上继续上升。目前的植入式BCI技术最多能实时记录上千个神经元并实时反馈刺激其中某些,但这比起人脑860亿神经元来说实在沧海一粟。这个领域需要各个其他科技领域的同步发展才能推进,目前看来纳米材料和分子生物学非常有希望让BCI技术有质的飞跃。

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