脑机接口——下一个前沿

让聋人重获听力,让盲人重见光明,让瘫患者重新站起来,甚至把人们近几十年的求学生涯压缩到一瞬间,这些听起来不可思议的事情都与脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)这个词关联起来。

早在1969年,华盛顿大学医学院就开始对猴子进行脑电生物反馈研究,然后完成了对老鼠运动脑电波的初步研究后,在夜猴体内实现了提取皮层运动神经元信号控制机器手臂的实验。

从那时开始,脑机接口开始成为神经科学的最前沿领域。所有人都知道,这就是神经科学和信息技术最完美的交叉领域,也是最有可能在未来引导技术变革的前沿技术领域。

以前,人们只能拿从大脑外部读取脑电信号,这方面最好的办法就是脑电图。但这种方法既不便捷也不精确,人们需要带上特殊的帽子,许多电极同时压在头皮上。之后,每个电极会探测到数千个神经元被激活时产生的电流,并在显示器上显示出来。但令人遗憾的是,这种方法只能探测到电极覆盖位置的脑电活动,对大脑深部的情况仍一无所知。

                                                                                        神经基础

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后来,科学家开始构想出脑机接口这样的概念,通过一种独特设备连接计算机和大脑,使人类可以从外部调控人的生理活动。

2009年,南加州大学的科学家研制出能够模拟海马体功能的神经芯片,并将这种芯片植入大鼠脑内使其成为高级脑功能假体。

2016年12月,明尼苏达大学的团队让普通人在没有植入大脑电极的情况下,只凭借“意念”就在三维空间内实现了包括操纵机器臂抓取体和控制飞行器在内的物体控制。

2017年,斯坦福大学科学家又让几个截瘫患者用意念实现了每分钟39个字母的输入速度。

要想脑机接口变成现实,科学家还有太多的路要走。最重要的是,必须开发出足够优秀的设备,这些设备能帮助我们充分接近大脑皮层,捕获并分析电信号,而这就是脑机接口领域所有工作的基础。

西安慧脑智能科技有限公司(简称慧脑智能)是一家从事脑科学与脑机接口技术研究、类脑智能芯片研发的高科技集团公司。

目前,打造更好大脑植入体的方法有两类,即小型导线电极和非电气的新型传感元器件。

小型导线电极:通过在不同的脑区接入可以记录神经元活动的电极来探知大脑的活动情况。 

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这个方法尽管听起来非常简单,但这种方法也面临着几个巨大的技术挑战:

首先是设备的集成,要搜集上百万个神经元的电信号就必须将数以万计的电极或者数以百万计的传感器以及相同数量的放大器集成在一平方厘米的面积上,这是个不小的挑战。

其次是设备的供电,电池供电肯定是不合适的,因为电池的体积太大且电解液泄露的风险也太高,但科学家还没有找到可以真正解决这个问题的想法。

最后是数据的传输,同步扫描超过100万个神经元意味着每秒采集到的数据将超过24GB——大约相当于四部超高清电影,传输这些数据会产生大量的热,这意味着这些数据将无法在颅内存储或者借助无线技术传输出来,科学家必须找到理想的脑信号数据压缩方式。

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非电气的新型传感元器件:对人体的伤害更小,但它们的研发难度也更大。

例如,科学家在考虑利用弱磁场、光遗传学和超声波的方法记录脑电活动,但由于科学家尚不清楚磁场、光和超声波会对大脑产生什么样的影响,这一方向的进展其实很缓慢。

要获得脑信号就必须尽可能接近人脑,但那又意味着对脑不可避免的破坏。因此,这就意味着人类距离应用脑机接口仍有一段距离。

所以,在脑机接口的研究过程中,我们需要不断地创新,让机器学习和大脑的可塑性真正结合起来,让脑机接口变成现实。

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