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腦機接口技術(shù)在醫療領(lǐng)域應用前景廣闊
腦機接口是一種技術(shù)系統,它建立了大腦與計算機或其他外部設備之間的直接通信通道,使個(gè)體無(wú)需經(jīng)過(guò)傳統的肌肉運動(dòng)或神經(jīng)系統,直接用大腦活動(dòng)來(lái)控制外部設備或應用。近年來(lái),腦機接口技術(shù)在生物醫學(xué)、神經(jīng)康復和智能機器人等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展,引起廣泛關(guān)注。在醫學(xué)領(lǐng)域,腦機接口技術(shù)作為創(chuàng )新性研究方向,在治療神經(jīng)系統疾病、促進(jìn)患者康復和改善生活質(zhì)量方面具有重要意義。
更加直觀(guān)、高效的人機交互方式
腦機接口的基本原理是通過(guò)采集腦電圖、腦磁圖或腦內電極記錄的神經(jīng)元活動(dòng)等神經(jīng)信號,利用信號處理和模式識別算法來(lái)解碼,并轉換成控制指令或輸出信號,從而實(shí)現對外部設備的控制或與外部設備的交互。
腦機接口技術(shù)在醫療康復、神經(jīng)科學(xué)研究、輔助工具開(kāi)發(fā)、虛擬現實(shí)、智能機器人等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。它提供了更加直觀(guān)、高效的人機交互方式,同時(shí)為患者提供了重要的檢查、治療和康復工具。
根據大腦與外部設備之間信息傳遞的方向,腦機接口可分為單向和雙向兩種類(lèi)型。單向腦機接口中,人的大腦活動(dòng)被采集并解碼,然后轉換成控制信號,用于控制輪椅或假肢等外部設備,但外部設備并不向大腦發(fā)送任何反饋信息。雙向腦機接口不僅能將解碼的大腦信號用于控制外部設備,還可以通過(guò)電刺激將外部設備產(chǎn)生的反饋信號傳遞回大腦,使人感知外部環(huán)境或設備的狀態(tài),直觀(guān)地與外部世界進(jìn)行交互和溝通。
根據采集信號的電極擺放位置,腦機接口可分為侵入式、非侵入式和半侵入式3種。侵入式腦機接口需要神經(jīng)外科醫師通過(guò)微創(chuàng )開(kāi)顱手術(shù)將電極直接植入患者大腦。這些植入腦內的電極記錄大腦電波信號,經(jīng)過(guò)處理、分析和編碼后,將其轉換為計算機或其他電子設備可識別的指令,實(shí)現對外部設備的控制。侵入式腦機接口的優(yōu)勢在于可以直接獲取高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的神經(jīng)信號,但其技術(shù)難度大,存在較高的安全風(fēng)險,如植入物可能引發(fā)大腦排異反應或因移動(dòng)造成腦損傷等。非侵入式腦機接口用穿戴在患者頭部的設備來(lái)記錄和解讀大腦信息,操作簡(jiǎn)單、成本低、安全性高。由于該技術(shù)需要通過(guò)頭皮和顱骨來(lái)采集信號,因此只能獲取到大范圍腦區的宏觀(guān)活動(dòng)信號,獲取范圍有限,信號空間分辨率較低,同時(shí)容易受到外界干擾。半侵入式腦機接口通常將電極植入頭皮下或硬腦膜外,無(wú)需穿透大腦皮層采集信號,具有較高的信號質(zhì)量和分辨率,同時(shí)降低了直接植入腦內帶來(lái)的安全風(fēng)險。
腦機接口技術(shù)有望應用于腦神經(jīng)疾病治療,為未來(lái)的醫療和康復設備提供更加智能化和個(gè)性化的解決方案,推動(dòng)醫療領(lǐng)域向更加人性和高效的方向發(fā)展。另外,腦機接口也促進(jìn)了神經(jīng)科學(xué)和腦機交互領(lǐng)域的研究,深化對人類(lèi)大腦功能的理解。
為神經(jīng)系統疾病患者帶來(lái)治療和康復希望
近年來(lái),神經(jīng)系統疾病已成為全球性的醫療難題,對人類(lèi)健康和社會(huì )發(fā)展構成嚴峻挑戰。根據世界衛生組織引用國際權威神經(jīng)學(xué)雜志數據,全球超過(guò)1/3的人口受到神經(jīng)系統疾病的困擾,包括偏頭痛、中風(fēng)、嬰兒腦損傷、癡呆癥、癲癇、早產(chǎn)兒神經(jīng)系統并發(fā)癥、孤獨癥譜系障礙等。這些疾病不僅導致健康問(wèn)題,還給醫療系統和社會(huì )經(jīng)濟帶來(lái)巨大負擔。腦機接口技術(shù)在醫療健康領(lǐng)域展現巨大潛力,為龐大的神經(jīng)系統疾病患者群體帶來(lái)了新的治療希望和康復途徑。尤其是針對肢體運動(dòng)障礙、意識與認知障礙、癲癇和精神性疾病等的治療和康復,腦機接口技術(shù)取得重要突破和長(cháng)足進(jìn)展。
肢體運動(dòng)障礙是由于腦損傷、腦卒中、脊髓損傷、肌萎縮側索硬化(漸凍癥)等疾病引起的偏癱、截癱或失語(yǔ)等癥狀。腦機接口設備能夠有效獲取患者的運動(dòng)意圖,讓患者通過(guò)意念控制假肢或輪椅,從而恢復部分運動(dòng)能力。此外,在言語(yǔ)康復方面,腦機接口技術(shù)可以幫助無(wú)法口述的患者通過(guò)意念將思維轉化為文字或語(yǔ)音輸出,從而實(shí)現言語(yǔ)交流的目的。
我們通常所說(shuō)的“植物人”,是指顱腦外傷、腦卒中、缺氧性腦病等導致長(cháng)期陷于意識障礙的患者。受到言語(yǔ)、認知、運動(dòng)等功能障礙的影響,臨床往往難以準確評估這些患者的狀況。腦機接口技術(shù)通過(guò)分析腦電反應,探測患者是否存在隱匿性指令跟隨的潛力,從而對患者的意識狀態(tài)進(jìn)行評估。利用這項技術(shù),醫師能夠更準確地了解患者的意識水平,甚至與意識障礙患者進(jìn)行溝通。
腦機接口技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監測癲癇患者大腦的電活動(dòng),識別和分析異常的電信號模式,從而預測癲癇發(fā)作的可能性。一旦監測到癲癇發(fā)作的跡象,系統可以立即發(fā)出警報,提醒患者及時(shí)采取措施,如服用抗癲癇藥物或調整生活方式,以減輕發(fā)作的嚴重程度或避免其發(fā)生。這種個(gè)性化的預警系統不僅可以幫助患者更好地管理癲癇癥狀,還可以減少病發(fā)對日常生活的干擾。
精神性疾病是一種復雜的腦部疾病,包括焦慮癥、抑郁癥、精神分裂癥等,其發(fā)病原因與遺傳因素、社會(huì )因素、心理因素相關(guān)。腦機接口能夠獲取腦電信號的特性,有效分析和研究患者的心理狀態(tài),實(shí)施神經(jīng)反饋訓練,幫助改善患者的神經(jīng)功能和心理狀態(tài),對精神疾病的康復治療具有重要意義。
推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新,加強規范管理
盡管腦機接口技術(shù)已經(jīng)取得顯著(zhù)的進(jìn)展,但其未來(lái)應用仍然面臨諸多挑戰。
大腦是人體最神秘且復雜的器官,深入探索大腦的結構和功能對于解析和利用神經(jīng)信號至關(guān)重要。大腦由約1000億個(gè)神經(jīng)元組成,這些神經(jīng)元有至少100萬(wàn)億個(gè)突觸的連接點(diǎn)。大腦神經(jīng)元之間通過(guò)放電產(chǎn)生的電傳導互相聯(lián)系,形成功能性腦網(wǎng)絡(luò ),完成多種復雜的認知任務(wù)。即便在科技高度發(fā)達的今天,我們對大腦運作機制的認識已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,但對于大腦高級功能如情感和記憶等方面的理解仍然較為有限。因此,需要神經(jīng)科學(xué)家不斷深入研究腦功能,探索其工作原理和內在機制,更好地理解大腦神經(jīng)信號的生成和傳遞過(guò)程,從而更精確地解析和利用這些信號,推動(dòng)腦機接口技術(shù)不斷發(fā)展。
在技術(shù)層面,電極材料、芯片運算能力是腦機接口技術(shù)的關(guān)鍵組成部分,扮演著(zhù)連接大腦與外部設備的橋梁角色。開(kāi)發(fā)更加可靠、穩定和高效的腦機接口技術(shù)和設備,才能更好滿(mǎn)足臨床需要。電極研發(fā)主要難點(diǎn)在于如何保證電極的長(cháng)期安全和有效性,提升材料與大腦組織的兼容性,降低人腦排異反應,并能夠采集更高精度的腦電信號。為了最大限度降低大腦損傷,電極的設計和植入過(guò)程也需要精心考慮和優(yōu)化。同時(shí)要不斷提升芯片運算能力,以實(shí)現對大量神經(jīng)信號的高效處理和分析,為患者提供更加安全、可靠的治療方案。
由于涉及腦機接口植入的安全性問(wèn)題,腦機接口研究必須先進(jìn)行嚴謹的科學(xué)實(shí)驗,并通過(guò)嚴格的倫理審查,證明這種技術(shù)和設備為患者帶來(lái)的益處明顯大于弊端,確;颊叩臋嘁婧桶踩艿匠浞直Wo。我國在腦機接口研究方面采取了一系列倫理規范和制約措施,已經(jīng)開(kāi)展的兩個(gè)手術(shù)都經(jīng)過(guò)了醫院的嚴格倫理審查。相關(guān)部門(mén)也及時(shí)為科研機構和科研人員提供倫理規范和指導,以保障腦機接口技術(shù)的合理、安全和可持續發(fā)展。
腦機接口技術(shù)涉及腦科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、醫學(xué)工程和臨床醫學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)域,需要合作開(kāi)發(fā)。當前,我國正加大腦機接口生態(tài)產(chǎn)業(yè)的集中攻關(guān)力度。2023年2月,中國信息通信研究院、工信部等聯(lián)合發(fā)起“腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”,將在科研成果轉化、應用場(chǎng)景開(kāi)拓、供應鏈建設、技術(shù)標準制定、人才培養和創(chuàng )業(yè)投融資等方面有所作為。
目前,腦機接口技術(shù)在實(shí)驗室環(huán)境下取得了一些成果,但這些成果主要限于特定場(chǎng)景和任務(wù)。從安全性、準確性、易用性、通用性和成本等諸多角度而言,腦機接口技術(shù)距離商業(yè)化應用還有很長(cháng)的路要走,臨床應用尚待時(shí)日。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應用場(chǎng)景的拓展,我們有理由相信,腦機接口技術(shù)會(huì )為人類(lèi)帶來(lái)更加美好的未來(lái)。
(作者為中國科學(xué)院院士、國家神經(jīng)系統疾病臨床研究中心主任)
《 人民日報 》( 2024年06月18日 20 版)
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