腦機(jī)接口：歷史、現(xiàn)狀與未來

【主題】【直播平臺】線上多平臺同步聯(lián)播精彩活動預(yù)告精彩活動預(yù)告2024.9.12024.9.52024.9.12024.9.5第124期-張輝教授/博士-《天文大數(shù)據(jù)處理》抽獎送3本專家書籍掃碼添加微信進(jìn)入社群郭亮博士/CEO廈大數(shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)室主辦《腦機(jī)接口：歷史、現(xiàn)狀與未來》l美國硅谷神經(jīng)科技公司Twibetu,Inc.創(chuàng)始人兼CEOl神經(jīng)接口技術(shù)領(lǐng)域世界知名科學(xué)家，前美國大學(xué)教授l美國國防部高級研究計(jì)劃局新銳教授獎獲得者l美國國家科學(xué)基金會杰出青年獎獲得者l美國國立衛(wèi)生院院長新創(chuàng)新者獎最終提名l《腦機(jī)接口：從科幻到現(xiàn)實(shí)》作者對于【有價值問題】的聽眾贈送專家主編書籍11?物技術(shù)時代3腦機(jī)接?的物理實(shí)現(xiàn)形式針對的應(yīng)?場景是什么?EEG來控制外部物體。提出了?腦電信號來控制假肢的構(gòu)想。4是EEG）。HansBerger記錄到的最早的?的頭?腦電信號。頂部的波形是從?名?男孩的頭上記錄到的EEG，底部的波形是10Hz頻率參考。中國腦機(jī)接?的早期開拓者清華?學(xué)教授清華?學(xué)教授6腦機(jī)接?需要什么信號?構(gòu)建腦機(jī)接?系統(tǒng)需要尋找穩(wěn)定可靠的、可以?清醒意識控制的或者在某種下意識情況下產(chǎn)?的特征信號，然后再?這種特征信號去控制外部設(shè)備，即實(shí)現(xiàn)從特定腦活動到特征信號、再到外部控制指令的?對?映射。這個映射集內(nèi)的指令越多，所能構(gòu)建的腦機(jī)接?系統(tǒng)的功能越豐富。?最簡單的可以?清醒意識控制的腦電信??種可靠的、下意識情況下產(chǎn)?的腦電或感覺刺激相關(guān)的腦電活動，其中視覺誘發(fā)電位最為常?。7EEG信號代表什么?的?腦?層灰質(zhì)?的微柱體信息處理單元頭?表?瞬時電場分布表征?意圖。暖?代表?電勢，冷?代表低電勢。8意識是否可以被EEG定位和記錄?信號來控制假肢的構(gòu)想。?然?，EEG中出現(xiàn)或缺少某個特征信號只能粗糙地表征?腦所處的某種狀態(tài)或狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換?？梢詮腅EG中檢測到的?腦活動狀態(tài)包括：（1）強(qiáng)直狀以?于檢測驚喜與否和期望預(yù)計(jì)。?但EEG的最?不?就是缺乏可以由直接意識驅(qū)動的確定的特征信號，?這種特征信號正是腦機(jī)接?所需的直接反映意識的可以?于控制外設(shè)的信號。這就導(dǎo)致基于EEG的腦機(jī)接?系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)通過?由意識的直接控制，?轉(zhuǎn)?尋找同過外界感覺刺激所引起的確定性的?層響應(yīng)，即事件相關(guān)電位，來進(jìn)?控制設(shè)計(jì)?；贓EG的腦機(jī)接?利?穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位使?屏幕軟鍵盤上凱和??榕教授基于頻率編碼的SSVEP-BCI。（a）視覺刺激器由電腦屏幕上不同頻率閃爍的?標(biāo)組成。（b）受試者頭戴EEG電極帽接入腦機(jī)接?系統(tǒng)，并注視電腦屏幕上的視覺刺激?標(biāo)。（c）7Hz刺激引發(fā)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）在O2電極處顯?出具有基波和諧波頻率峰值的特征頻率成分。利?運(yùn)動想象控制四軸飛?器在不同的想象左右?握拳的情況下的感覺運(yùn)動節(jié)律信號（12Hz左右）的空間激活圖。（a）當(dāng)想象右?握拳時，左側(cè)C3電極位置激活，（b）當(dāng)想象左?握拳時，右側(cè)C4電極位置激活，（c）當(dāng)想象雙?握拳時，左右兩側(cè)C3和C4電極位置同時激活。通過想象左?握拳實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，右?握拳實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，兩?握拳實(shí)現(xiàn)增加?度，不握拳實(shí)現(xiàn)降低?度，從?達(dá)到了每個維度的獨(dú)?控制。每個控制的強(qiáng)度可以通過控制信號的??以及權(quán)重系數(shù)來調(diào)節(jié)。非侵入式腦機(jī)接?的優(yōu)缺點(diǎn)?優(yōu)點(diǎn)來?其無創(chuàng)傷的使??式。這種系統(tǒng)不需要植入電極或器件到?腦內(nèi)部，不涉及外科?術(shù)風(fēng)險和復(fù)雜的?術(shù)過程。因此，使?成本低，安全風(fēng)險?，穿戴相對容易，更容易被潛在?戶所接受?其?戶的適?范圍廣，既可以為殘障??提供運(yùn)動或通訊輔助，又可以?于健康?的?智狀態(tài)調(diào)節(jié)和娛樂。?缺點(diǎn)也是顯?易見的，包括反應(yīng)速度慢，功能復(fù)雜度低，控制精度有限，非?由直接意識控制，需要使?者在身體受限的環(huán)境中?要想達(dá)到?然流暢的直覺性的使?體現(xiàn)，必須采?顱內(nèi)神經(jīng)元的信號來直接驅(qū)動腦機(jī)接?。?腦中是否存在與運(yùn)動控制相關(guān)的信息電活動，從?間接控制?個指?這種放電活動強(qiáng)度的儀表指針的偏轉(zhuǎn)。的神經(jīng)活動模式的訓(xùn)練條件下，獼猴能夠迅速學(xué)會在視覺指令下?主精確控制?腦主運(yùn)動?層區(qū)域中的單個和多個神經(jīng)元的電活動。在這?實(shí)驗(yàn)中，獼猴在執(zhí)?特定?臂運(yùn)動時的相關(guān)運(yùn)動控制神經(jīng)元的電活動被確認(rèn)，即?臂的運(yùn)動在?腦主運(yùn)動?層的?臂區(qū)域有神經(jīng)元的電活動與之相對應(yīng)。運(yùn)動的?向信息可以在運(yùn)動?層?臂區(qū)域的神經(jīng)元群落?記錄到。這?結(jié)果揭?了神經(jīng)元的電活動先于運(yùn)動執(zhí)?本身發(fā)?，運(yùn)動的計(jì)劃和執(zhí)?的過程在?腦?有著神經(jīng)元層?的電活動模式的物質(zhì)基礎(chǔ)。?欲善其事必先利其器:多通道神經(jīng)微電極陣列?無論是非侵入式還是侵入式，運(yùn)動腦機(jī)接?的研究都最受關(guān)注。?腦機(jī)接?的科研資助主要來?與?持醫(yī)學(xué)研究相關(guān)的研究計(jì)劃局和退伍軍?事務(wù)部（后兩者更關(guān)?讓斷肢腦機(jī)接?系統(tǒng)都是針對癱瘓和傷殘的病?來開發(fā)恢復(fù)運(yùn)動功能的醫(yī)療器械。?運(yùn)動在執(zhí)?時的控制信息存在于?腦運(yùn)動?層內(nèi)相應(yīng)的身體部位區(qū)域。?有趣的是，當(dāng)?體在缺失肢體或肢體癱瘓后，?腦運(yùn)動?層相應(yīng)的區(qū)域仍然?并且研究發(fā)現(xiàn)，僅僅是想象肢體的運(yùn)動，?腦的運(yùn)動?層也會產(chǎn)?相應(yīng)的運(yùn)動控制電信號。?這些神經(jīng)元層?的電信號可以使?植入?層內(nèi)的神經(jīng)微電極陣列來記錄到。這些信號所含的信息無法在EEG中體現(xiàn)出來，這就是為什么?性能的腦機(jī)接進(jìn)?選中。JohnnyJohnnyRayPhillipR.Kennedy玻璃漏?神經(jīng)微電極，純??制作，玻璃漏?長約2毫?。23說話的受試者來有機(jī)會通過語?發(fā)?和對應(yīng)的神經(jīng)活動訓(xùn)練他的神經(jīng)解碼器。在既沒有研究經(jīng)費(fèi)，又沒有FDA臨床許可的窘境下，他決定親?出馬放??伯利茲城?家醫(yī)院的?術(shù)臺上，準(zhǔn)備進(jìn)?將三個玻璃漏?電極植入??的語?運(yùn)動?層的?術(shù)，為此他向?術(shù)醫(yī)??付了三萬美元的費(fèi)?。?腦的運(yùn)動執(zhí)?信號是否可以?來控制機(jī)械?臂通過?夠多通路的空間采樣，可以將含有這些信息的神經(jīng)動捕捉到，然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)的解碼算法，就可以將相關(guān)信息提取出來。運(yùn)動想象或意圖的信號位置?運(yùn)動想象和真實(shí)的運(yùn)動意圖是有區(qū)別的。如果?的?臂能正?；顒?，那么想象??的?臂運(yùn)動但并不真實(shí)活動，這樣的過程在?腦的前運(yùn)動?層和前額葉發(fā)?，這兩個區(qū)域參標(biāo)、制定決策以及確定如何執(zhí)?特定的動作，包括肌?的協(xié)調(diào)和順序。是在這兩個區(qū)域發(fā)?的。另外，運(yùn)動想象還會引起體感?層相應(yīng)的電活動，但由于運(yùn)動和質(zhì)量不能得到保證。?當(dāng)真正發(fā)出運(yùn)動意圖時，主運(yùn)動?層將負(fù)責(zé)執(zhí)?肌?運(yùn)動的指令，然后通過神經(jīng)傳遞信計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和機(jī)械?臂的腦機(jī)接?研究。?這?發(fā)現(xiàn)為全身癱瘓或截肢病?使?運(yùn)動意圖腦機(jī)接?提供了原理性的基礎(chǔ)。LeighR.HochbergJohnP.Donoghue右右運(yùn)動想象或意圖是否在?腦內(nèi)有它的神經(jīng)信號基礎(chǔ)?這種信號是否可以被提取出來?于機(jī)械臂控制?此項(xiàng)?作?次證明，使??腦?層信號來控制多關(guān)節(jié)假肢設(shè)備，能夠與物理環(huán)境進(jìn)?直接、實(shí)時的互動。Cyberkinetics癱瘓病?是否能夠控制他們??癱瘓的肢體2016年BattelleMemorialInstitute&OhioStateUniversity肢體移動中的觸覺是否可以被恢復(fù)2020年BattelleMemorialInstitute&OhioStateUniversity恢復(fù)?位截癱病?的肢體運(yùn)動神經(jīng)電子橋的概念示意圖人的脊髓橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖恢復(fù)下肢??功能恢復(fù)?的功能?神經(jīng)電子橋的概念在恢復(fù)上肢運(yùn)動的腦機(jī)接口中同樣適用，但由于上肢的神經(jīng)運(yùn)動控制機(jī)制更為復(fù)雜，這方面的研究工作才剛剛開始。?2022和2023年，匹茲堡大學(xué)的MarcoCapogrosso教授團(tuán)隊(duì)在《自然·神經(jīng)科學(xué)》和《自然·醫(yī)學(xué)》雜志上分別發(fā)表了兩篇文章，介紹了利用外加的開環(huán)頸椎脊髓硬膜外電刺激分別在因脊髓損傷或腦梗而癱瘓的猴子和病人身上實(shí)現(xiàn)了植入電極是否會改變周圍腦組織的結(jié)構(gòu)和功能使?新外設(shè)的經(jīng)驗(yàn)會改變?腦腦在與機(jī)械?臂建?起?個閉環(huán)的反饋控制連接后，通過練習(xí)學(xué)會了新的交互?式。對應(yīng)著神經(jīng)元連接層?的物理變化。還可以讓?腦來主動適應(yīng)新的外設(shè)和功能。語?通信腦機(jī)接?基于猶他電極在新聞媒體上公布了他們的最新無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接?的臨床試驗(yàn)初步結(jié)果。?平臺上，并且可以實(shí)現(xiàn)更好的功能效果和?戶體驗(yàn)。展開了臨床試驗(yàn)，第?