新功能、新界面、新体验,扫描即可下载生物谷APP!
首页 » 智能机器人 » 未来已来 脑机接口

未来已来 脑机接口

来源:线性资本 2018-02-06 15:16

     小编推荐:您不可错过的2018脑科学与类脑智能前沿研讨会
Outline

一、BCI是什么

脑机接口(BCI)目前还没有达成共识的概念,参考知乎专栏李明俊的解读:
“脑(Brain)” = “有机生命形式的脑或神经系统”,而并非仅仅是抽象的心智
“机(Computer)" = “任何处理或计算的设备”,其形式可以从简单电路到硅芯片
“接口(Interface)” = “用于信息交换的中介物”
连起来,简化为:BCI = 联结 有机体思想 与 无机体执行 的 媒介

二、脑(Brain)

先来看看脑在哪里:
如果你把脑和头想象成一个东西,那下面的图可能会让你惊讶——头皮 (skin) 下面,经过很多层组织的铺垫,才是颅骨(skull)。 


从头皮到颅骨(图片来源:Wait But Why)
颅骨下面,还要穿越硬脑膜(dura mater)、蛛网膜(arachnoid trabeculae)、软脑膜(pia mater)的层层保护,才能见到我们的主角——大脑(Brain)


简而言之,从头皮最终到大脑,其间的结构可以简化为下图👇


上图中,从左往右,依次为皮肤(粉红色)、两层头皮层、颅骨、硬脑膜、蛛网膜、以及最右边被软脑膜包裹的大脑👇 


“补脑,核桃” (图片来源:Wait But Why)

我们简单把大脑划分四个区:额叶(frontal lobe),顶叶(parietal lobe), 枕叶(occipital lobe), 颞叶(temporal lobe)。不同大脑区域控制不同的活动,比如运动中枢位于额叶,知觉感官的神经元位于顶叶,视觉中枢位于枕叶,听觉中枢位于颞叶。
而同一区域,不同神经元控制的活动也不同。以运动皮层(motor cortex)和体感皮层(somatosensory cortex)为例,皮层上不同位置对应人体不同部位的活动,具体可以描绘为著名的小矮人(Homunculus)图: 

运动皮层和体感皮层小矮人图
(图片来源:Wait But Why)

三、机(Computer)

从脑的角度看,BCI的终极任务包括两项:记录(Recording)、刺激(Stimulating)。与之对应,机器端(Computer)的功能就是解码记录(Recording)并执行相应指令,以及输入信号激活(Stimulating)神经元。
在记录(Recording)方向,BCI记录大脑的神经元活动,然后把活动转化为机器语言,让机器执行某项操作。目前应用主要集中于运动皮层远程控制。例如瘫痪病人脑部依旧能思考,但肢体却不听使唤,这时机器可以根据病人脑部活动的指示,帮助病人控制肢体活动、表达想法等。
Brown University首先研发的BrainGate系统是运动皮层远程控制的代表成果。它将一种名为Utah Array的电极列阵植入瘫痪病人的运动皮层。当病人想要抬手或做其他活动时,电极便可检测到被这些意图激活的神经元,然后将信号传导给机器,让其完成对应指令。
当然,在应用于实际案例前,BrainGate先收集了大量实验数据,比如,当人们想把手往左边移动时,100个神经元里某42个被激活,而想往右边移动时,另外37个神经元被激活,而原来的42个则变为休眠状态。BrainGate 将这些实验数据集合起来,以“意图-被激活神经元”的“x-y”坐标轴模型为基础,建立一个数据库。在实际案例中,则是个刚好相反的过程,BrainGate通过瘫痪病人被激活的神经元y在数据库里找到匹配的意图x, 然后执行命令。 

在BrainGate的帮助下,一位瘫痪近15年的女士通过机械手臂完成喝咖啡的动作
(图片来源于网络)

2012年巴西,Miguel Nicolelis设计的exoskeleton 让截肢少年开球世界杯
(图片来源于网络)

在刺激(Stimulating)方向,机器可应用于感官模拟、深度大脑刺激。人造感官较为常见的例子有人造视网膜和人造耳蜗(助听器)。与瘫痪病人类似,通常病人的脑部正常,但是在信息入口,即眼睛或者耳朵出现了损坏或者阻碍,于是BCI就帮助病人修复信息入口,完成外界信号对神经元的激活。
但现在的感官模拟的发展都还处于起步阶段。如果要全方位仿真听觉,人造耳蜗至少需要3500个电极,而现在的产品最多只能达到16个。同理,人工视网膜目前可以植入60个感应器,而真实的视网膜上则有百万个神经细胞,完成读书和面部识别等任务需要600-1000个电极。
深度大脑刺激(Deep Brain Stimulation)可协助控制情绪,例如减轻帕金森综合征的痉挛现象,缓解偏头痛、幻肢痛、创伤后遗症和强迫症等。相关商业案例包括针对癫痫治疗的NeuroPace的RNS系统、针对睡眠障碍疗愈的没出初创公司Cerêve,针对学习障碍治疗的BrainCo。


一家名为foc.us的公司致力于通过可穿戴设备刺激人脑产生α波,从而达到心流体验
(图片来源:foc.us官网)

上述应用都面向医疗领域的修复方案,BCI应用还有超越医疗领域的构想。比如初创公司Neurable致力于更快捷交互模式的研发,将VR/AR于BCI结合,期待人们用意念操控汽车等设备。Kernel Co则专注大脑技能水平的增强,如通过芯片“读取+改写神经密码”来改善长期记忆力。Elon Musk则更进一步,憧憬一个全民普及的BCI,融合娱乐、办公、远程控制、增强记忆等多项功能。简而言之,Elon Musk的Neuralink是要把我们现在离不开的手机、电脑等多种设备压缩进一个随身携带的BCI,并且实现总体大于部分之和的更多功能。 

四、接口(Interface)

如前所述,接口主要实现记录(Recording)和激活(Stimulating)。接口是信息的收集和传输中介,目前主要运用的BCI工具有EEG,ECoG,LFP等,更尖端更精细化的技术包括Single-Unit Recording,patch clamp和sharp electrode recording等。
下图展示了不同工具(EEG,ECoG, LFP)接入脑部的不同位置: 


(图片来源:Wait but Why)
最理想的BCI工具是大规模、高解析度、非入侵式的,但目前的技术只能在其中某几项指标上做到理想情况。下表从规模、解析度、侵入性各方面比较了不同工具的优劣:

上面提到的超级精细化的装置膜片钳(patch clamp)不但可以记录(Recording)神经元活动,还可以刺激(Stimulating)神经元活动。因为膜片钳可以接触到单个细胞,所以它可以将电流或者电压根据实验要求施加到神经元上。上面提到的其他记录(Recording)工具也可以实现激活(Stimulating)功能,但只限于激活整个神经元组。

五、BCI研究瓶颈

小线菌先引出几个BCI现阶段的瓶颈,有兴趣的朋友可以思考思考,欢迎留言交流🤗
脑(Brain):人类对脑科学探索还处于婴儿期,如何在脑科学认知限制条件下研发BCI?
机(Computer):带宽瓶颈——如何小儿巧地容纳大量信息?
接口(Interface):如何解决生物相容性问题?人的免疫系统排斥本体之外的”入侵”物体,如何让BCI融入有机体?
脑机接口(BCI):伦理问题——试验阶段,如果开颅,可以做大量生物实验吗?推广阶段,如果读心实现,隐私何在?
小线菌先留个悬念在这里,下期继续与你分享一些脑洞大开的有趣破解法


2018-04-20至2018-04-21生物谷将在上海举办2018脑科学与类脑智能前沿研讨会。


会议议题:

脑认知基础
- 全脑神经网络结构图谱的绘制
- 认知的神经回路机制研究
- 非人类灵长类动物大脑研究
- 神经元的可塑性
- 脑科学研究先进技术:类脑器官、 类脑芯片、光遗传技术、单细胞记录技术、神经成像技术

类脑人工智能
- 语音识别与图像识别
- 深度学习与自主学习
- 神经元人脑仿真模拟器
- 基于人工神经网络的类脑机器学习算法
- 脑机结合

脑疾病的诊断与干预
- 精神疾病, 如抑郁与成瘾
- 神经退行性疾病,如阿尔兹海默症
- 神经发育疾病,如自闭症
- 应用于疾病监测的大脑可穿戴设备
- 脑成像技术
- 脑疾病药物开发
温馨提示:87%用户都在生物谷APP上阅读,扫描立刻下载! 天天精彩!



相关标签

最新会议 培训班 期刊库