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脑机接口

脑机接口脑机接口

脑机接口(brain-computer interface,BCI),有时也称作direct neural interface或者brain-machine interface,它是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下,计算机或者接受脑传来的命令,或者发送信号到脑(例如视频重建),但不能同时发送和接收信号。而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。

在该定义中,“脑”一词意指有机生命形式的脑或神经系统,而并非仅仅是抽象的“心智”(mind)。“机”意指任何处理或计算的设备,其形式可以从简单电路到硅芯片。

对脑机接口的研究已持续了超过30年了。20世纪90年代中期以来,从实验中获得的此类知识呈显著增长。在多年来动物实验的实践基础上,应用于人体的早期植入设备被设计及制造出来,用于恢复损伤的听觉、视觉和肢体运动能力。研究的主线是大脑不同寻常的皮层可塑性,它与脑机接口相适应,可以象自然肢体那样控制植入的假肢。在当前所取得的技术与知识的进展之下,脑机接口研究的先驱者们可令人信服地尝试制造出增强人体功能的脑机接口,而不仅仅止于恢复人体的功能。这种技术在以前还只存在于科幻小说之中。

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脑机接口与神经修复 编辑本段回目录

  神经修复是神经科学中和神经的修复相关的领域,即使用人工装置(假体)替换掉原有功能已削弱的部分神经或感觉器官。神经假体最广泛的应用是人工耳蜗,截止到2006年世界上已有大约十万人植入。也有一些神经假体是用于恢复视力的,如人工视网膜,但目前在这方面的工作仅仅局限于将人工装置直接植入脑部。   

脑机接口和神经修复的区别主要从字面上就可见其端倪:“神经修复”通常指临床上使用的装置,而许多现有的脑机接口仍然是实验性质的。实践上讲神经假体可以和神经系统的任意部分相连接,如外周神经系统;而“脑机接口”通常指一类范围更窄的直接与脑相连接的系统。   

由于目标和实现手段的相似性,“神经修复”和“脑机接口”两术语经常可以通用。神经修复和脑机接口尝试达到一个共同的目标,如恢复视觉、听觉、运动能力,甚至是认知的能力。两者都使用类似的实验方法和外科手术技术。

人类脑机接口研究编辑本段回目录

侵入式脑机接口

侵入式脑机接口主要用于重建特殊感觉(例如视觉)以及瘫痪病人的运动功能。此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,因而所获取的神经信号的质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织(疤),进而导致信号质量的衰退甚至消失。

视觉脑机接口方面的一位先驱是William Dobelle。他的皮层视觉脑机接口主要用于后天失明的病人。1978年,Dobelle在一位男性盲人Jerry的视觉皮层植入了68个电极的阵列,并成功制造了光幻视(Phosphene)。该脑机接口系统包括一个采集视频的摄像机,信号处理装置和受驱动的皮层刺激电极。植入后,病人可以在有限的视野内看到灰度调制的低分辨率、低刷新率点阵图像。该视觉假体系统是便携式的,且病人可以在不受医师和技师帮助的条件下独立使用。

2002年,Jens Naumann成为了接受Dobelle的第二代皮层视觉假体植入的16位病人中的第一位。第二代皮层视觉假体的特点是能将光幻视更好地映射到视野,创建更稳定均一的视觉。其光幻视点阵覆盖的视野更大。接受植入后不久,Jens就可以自己在研究中心附近慢速驾车漫游。

针对“运动神经假体”的脑机接口方面,Emory大学的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在人植入了可获取足够高质量的神经信号来模拟运动的侵入性脑机接口。他们的病人Johnny Ray患有脑干中风导致的锁闭综合征。Ray在1998年接受了植入,并且存活了足够长的时间来学会用该脑机接口来控制电脑光标。

2005年,Cyberkinetics公司获得美国FDA批准,在九位病人进行了第一期的运动皮层脑机接口临床试验。四肢瘫痪的Matt Nagle成为了第一位用侵入式脑机接口来控制机械臂的病人,他能够通过运动意图来完成机械臂控制、电脑光标控制等任务。其植入物位于前中回的运动皮层对应手臂和手部的区域。该植入称为BrainGate,是包含96个电极的阵列。 

部分侵入式脑机接口

部分侵入式脑机接口一般植入到颅腔内,但是位于灰质外。其空间分辨率不如侵入式脑机接口,但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。

皮层脑电图(ECoG)的技术基础和脑电图的相似,但是其电极直接植入到大脑皮层上,硬脑膜下的区域。 华盛顿大学(圣路易斯)的Eric Leuthardt和Daniel Moran是最早在人体试验皮层脑电图的研究者。根据一则报道,他们的基于皮层脑电图的脑际接口能够让一位少年男性病人玩电子游戏。同时该研究也发现,用基于皮层脑电图的脑机接口来实现多于一维的运动控制是比较困难的。

基于“光反应成像”的脑机接口尚处在理论阶段。其概念是在颅腔内植入可测量单神经元兴奋状态的微型传感器,以及受其驱动的微型激光源。可用该激光源的波长或时间模式的变化来编码神经元的状态,并将信号发送到颅腔外。该概念的优点是可在感染、免疫反应和愈伤反应的几率较小的条件下长时间监视单个神经元的兴奋状态。

非侵入式脑机接口

和侵入式脑机接口一样,研究者也使用非侵入式的神经成像术作为脑机之间的接口在人身上进行了实验。用这种方法记录到的信号被用来加强肌肉植入物的功能并使参加实验的志愿者恢复部分运动能力。虽然这种非侵入式的装置方便佩戴于人体,但是由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高。这种信号波仍可被检测到,但很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。

作为有潜力的非侵入式脑机接口已得到深入研究,这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。但该技术的一个问题是它对噪声的敏感,另一个使用EEG作为脑机接口的现实障碍是用户在工作之前要进行大量的训练。这方面研究的一个典型例子是德国图宾根大学的Niels Birbaurmer于1990年代进行的项目。该项目利用瘫痪病人的脑电图信号使其能够控制电脑光标。  经过训练,十位瘫痪病人能够成功地用脑电图控制光标。但是光标控制的效率较低,在屏幕上写100个字符需要1个小时,且训练过程常耗时几个月。在Birbaumer的后续研究中,多个脑电图成分可被同时测量,包括μ波和β波。病人可以自主选择对其最易用的成分进行对外部的控制。

与上述这种需要训练的EEG脑机接口不同,一种基于脑电P300信号的脑机接口不需要训练,因为P300信号是人看到熟识的物体是非自主地产生的。美国罗切斯特大学的Jessica Bayliss的2000年的一项研究显示,受试者可以通过P300信号来控制虚拟现实场景中的一些物体,例如开关灯或者操纵虚拟轿车等。 

1999年,美国凯斯西留地大学由Hunter Peckham领导的研究组用64导脑电图恢复了四肢瘫痪病人Jim Jatich的一定的手部运动功能。该技术分析脑电信号中的β波,来分类病人所想的向上和向下两个概念,进而控制一个外部开关。除此以外,该技术还可以使病人控制电脑光标以及驱动其手部的神经控制器,来一定程度上回复运动功能。 

应用人工神经网络,计算机可以分担病人的学习负担。Fraunhofer学会2004年用这一技术显著降低了脑机接口训练学习所需的时间。 

Eduardo Miranda的一系列试验旨在提取和音乐相关的脑电信号,使得残疾病人可以通过思考音乐来和外部交流,这种概念称为“脑声机”(encephalophone)。


脑磁图(MEG)以及功能核磁共振成像(fMRI)都已成功实现非侵入式脑机接口。例如在一项研究中,病人利用生物反馈技术可以用改变fMRI所检测到的脑部血流信号来控制乒乓球运动。 [26] 也有人用fMIR信号来准实时地控制机械臂,这一控制的延迟大位7秒左右。

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  • 更新时间: 2011-10-10

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