意念控制成真?科学家首次实现脑机接口无线连接

中国电子报|2021-04-07 12:36:45
作者:宋婧 来源:中国电子报、电子信息产业网

“只需要在脑海中想一下,就可以操控计算机完成所想的任务,比如在电脑屏幕上打字,或者是操控机械臂完成各种动作。”科幻电影里的“意念控制”真的要走入现实了。最新研究显示,来自美国的 BrainGate 团队首次实现了人类大脑信号与计算机之间的无线高带宽传输。

据介绍,这套全新的 “无线脑机接口”(BWD)系统由两部分构成,一部分是位于大脑皮质内的电极阵列,另一部分是位于体外的无线发射器。无线发射器是一个 5cm 大小、43g 重的小型装置,固定在使用者的头部,与大脑运动皮层内的电极阵列相连,可以捕捉大脑神经元发出的信号并翻译为电脑指令,以便使用者控制机械来完成操作。

与此前研发的脑机接口相比,这套系统一方面实现了从有线到无线的突破,摆脱了繁冗的电缆束缚,让使用者可以脱离实验环境进入真实的生活场景进行意念控制的体验;另一方面,通过“全宽带保真度”和“单神经元分辨率”来传输大脑信号,有效保证了准确性和保真度。

究竟什么叫做“脑机连接”?根据生物学常识,大脑皮质中分布着大约200亿个神经元,每个神经元有高达1000个通向其他神经元的突触连接,不仅负责我们的听觉、视觉等复杂的感官信息,还掌握着我们的语言、运动、思考、性格等。脑机接口技术简单来说,就是通过刺激或记录神经元的方式,将外部设备与大脑相连,实现信息的双向交换。

当下,主流脑机接口设备分为三类:一类是读取头皮脑电图(EEG)的脑电帽,无需植入,只需将电极粘贴在头皮上,即可记录大脑中的电流变化;第二类是读取皮层脑电图(ECoG)的芯片、电极和传感器,电极需植入大脑表层;第三类是读取脑组织内部信号的皮质内电极(Intracortical BCI,iBCI),电极需植入大脑皮层内部。

其中,iBCI 的信号分辨率最高,但在安全性、材料稳定性和伦理等方面的风险也是最大的。而此次BrainGate 的 iBCI 无线脑机接口已经成功获得了美国食品和药物管理局、布朗大学审查委员会及所有相关合作单位的许可。两名实验参与者分别被植入了两个有 96 个电极的电极阵列,利用无线设备可以通过意念在标准的平板电脑上进行指向、点击和打字,且打字的准确率超过每分钟 37 个字符。

在中国也有很多类似的研究。此前,浙江大学脑机接口团队首次通过对脑内植入Utah阵列电极,帮助一位72岁高龄的高位截瘫志愿者,利用意念控制机械手臂的三维运动,实现进食、饮水和握手等一系列上肢重要功能运动,在“植入式脑机接口临床转化应用研究”上取得了重要的阶段性成果。但需要注意的是,这种侵入式脑机接口的效果并非永久性的。随着时间的推移,周围的胶质细胞会逐渐将电极包裹起来,电极监测到的神经元活动会越来越少。

实际上,脑机接口技术目前仍处于探索与研究阶段,面临着脑科学、脑电信号采集、神经解码和编码、安全性、通信速度等诸多亟待解决的问题,距离商业化还有一段距离。然而,可以预见的是,该技术具有广泛的应用空间,在医疗健康、航空航天、教育、娱乐、智能家居等多个领域皆有落地可能。市场研究机构Valuates Reports报告显示,预计到2027年,全球脑机接口市场规模或达到38.5亿美元。

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