脑机接口技术：历史、现状与未来

11⽣物技术时代3脑机接⼜的物理实现形式针对的应⽤场景是什么︖EEG来控制外部物体。提出了⽤脑电信号来控制假肢的构想。4是EEG）。形是从一名⼩男孩的头上记录到的EEG，底部的波形是10Hz频率参考。中国脑机接⼜的早期开拓者清华⼤学教授清华⼤学教授6脑机接⼜需要什么信号•构建脑机接⼜系统需要寻找稳定可靠的、可以⽤清醒意识控制的或者在某种下意识情况下产⽣的特征信号，然后再⽤这种特征信号去控制外部设备，即实现从特定脑活动到特征信号、再到外部控制指令的一对一映射。这个映射集内的指令越多，所能构建的脑机接⼜系统的功能越丰富。•最简单的可以⽤清醒意识控制的脑电信•一种可靠的、下意识情况下产⽣的脑电或感觉刺激相关的脑电活动，其中视觉诱发电位最为常⽤。7EEG信号代表什么⼈的⼤脑⽪层灰质⾥的微柱体信息处理单元头⽪表⾯瞬时电场分布表征⽰意图。暖⾊代表⾼电势，冷⾊代表低电势。8意识是否可以被EEG定位和记录︖信号来控制假肢的构想。•然⽽，EEG中出现或缺少某个特征信号只能粗糙地表征⼤脑所处的某种状态或状态间的转换。可以从EEG中检测到的⼤脑活动状态包括：（1）强直状以⽤于检测惊喜与否和期望预计。•但EEG的最⼤不⾜就是缺乏可以由直接意识驱动的确定的特征信号，⽽这种特征信号正是脑机接⼜所需的直接反映意识的可以⽤于控制外设的信号。这就导致基于EEG的脑机接⼜系统很难实现通过⾃由意识的直接控制，⽽转⽽寻找同过外界感觉刺激所引起的确定性的⽪层响应，即事件相关电位，来进⾏控制设计。基于EEG的脑机接⼜利⽤稳态视觉诱发电位使⽤屏幕软键盘上凯和⾼⼩榕教授基于频率编码的SSVEP-BCI。（a）视觉刺激器由电脑屏幕上不同频率闪烁的⽬标组成。（b）受试者头戴EEG电极帽接入脑机接⼜系统，并注视电脑屏幕上的视觉刺激⽬标。（c）7Hz刺激引发的稳态视觉诱发电位（SSVEP）在O2电极处显⽰出具有基波和谐波频率峰值的特征频率成分。利⽤运动想象控制四轴飞⾏器在不同的想象左右⼿握拳的情况下的感觉运动节律信号（12Hz左右）的空间激活图。（a）当想象右⼿握拳时，左侧C3电极位置激活，（b）当想象左⼿握拳时，右侧C4电极位置激活，（c）当想象双⼿握拳时，左右两侧C3和C4电极位置同时激活。通过想象左⼿握拳实现左转，右⼿握拳实现右转，两⼿握拳实现增加⾼度，不握拳实现降低⾼度，从⽽达到了每个维度的独⽴控制。每个控制的强度可以通过控制信号的⼤⼩以及权重系数来调节。非侵入式脑机接⼜的优缺点•优点来⾃其无创伤的使⽤⽅式。这种系统不需要植入电极或器件到⼤脑内部，不涉及外科⼿术风险和复杂的⼿术过程。因此，使⽤成本低，安全风险⼩，穿戴相对容易，更容易被潜在⽤户所接受︔其⽤户的适⽤范围广，既可以为残障⼈⼠提供运动或通讯辅助，又可以⽤于健康⼈的⼼智状态调节和娱乐。•缺点也是显⽽易见的，包括反应速度慢，功能复杂度低，控制精度有限，非⾃由直接意识控制，需要使⽤者在身体受限的环境中•要想达到⾃然流畅的直觉性的使⽤体现，必须采⽤颅内神经元的信号来直接驱动脑机接⼜。⼤脑中是否存在与运动控制相关的信息电活动，从⽽间接控制一个指⽰这种放电活动强度的仪表指针的偏转。的神经活动模式的训练条件下，猕猴能够迅速学会在视觉指令下⾃主精确控制⼤脑主运动⽪层区域中的单个和多个神经元的电活动。在这一实验中，猕猴在执⾏特定⼿臂运动时的相关运动控制神经元的电活动被确认，即⼿臂的运动在⼤脑主运动⽪层的⼿臂区域有神经元的电活动与之相对应。运动的⽅向信息可以在运动⽪层⼿臂区域的神经元群落⾥记录到。这一结果揭⽰了神经元的电活动先于运动执⾏本身发⽣，运动的计划和执⾏的过程在⼤脑⾥有着神经元层⾯的电活动模式的物质基础。⼯欲善其事必先利其器:多通道神经微电极阵列•无论是非侵入式还是侵入式，运动脑机接⼜的研究都最受关注。•脑机接⼜的科研资助主要来⾃与⽀持医学研究相关的研究计划局和退伍军⼈事务部（后两者更关⼼让断肢脑机接⼜系统都是针对瘫痪和伤残的病⼈来开发恢复运动功能的医疗器械。•运动在执⾏时的控制信息存在于⼤脑运动⽪层内相应的身体部位区域。•有趣的是，当⼈体在缺失肢体或肢体瘫痪后，⼤脑运动⽪层相应的区域仍然•并且研究发现，仅仅是想象肢体的运动，⼤脑的运动⽪层也会产⽣相应的运动控制电信号。•这些神经元层⾯的电信号可以使⽤植入⽪层内的神经微电极阵列来记录到。这些信号所含的信息无法在EEG中体现出来，这就是为什么⾼性能的脑机接⼜只能通过植入电极来实现的原因。进⾏选中。玻璃漏⽃神经微电极，纯⼿⼯制作，玻璃漏⽃长约2毫⽶。JohnnyJohnnyRayPhillipR.Kennedy说话的受试者来有机会通过语⾔发⾳和对应的神经活动训练他的神经解码器。在既没有研究经费，又没有FDA临床许伯利兹城一家医院的⼿术台上，准备进⾏将三个玻璃漏⽃电极植入⾃⼰的语⾔运动⽪层的⼿术，为此他向⼿术医⽣⽀付了三万美元的费⽤。⼤脑的运动执⾏信号是否可以⽤来控制机械⼿臂通过⾜够多通路的空间采样，可以将含有这些信息的神经动捕捉到，然后通过机器学习的解码算法，就可以将相关信息提取出来。运动想象或意图的信号位置•运动想象和真实的运动意图是有区别的。如果⼈的⼿臂能正常活动，那么想象⾃⼰的⼿臂运动但并不真实活动，这样的过程在⼤脑的前运动⽪层和前额叶发⽣，这两个区域参标、制定决策以及确定如何执⾏特定的动作，包括肌⾁的协调和顺序。是在这两个区域发⽣的。另外，运动想象还会引起体感⽪层相应的电活动，但由于运动和质量不能得到保证。•当真正发出运动意图时，主运动⽪层将负责执⾏肌⾁运动的指令，然后通过神经传递信计算机鼠标和机械⼿臂的脑机接⼜研究。•这一发现为全身瘫痪或截肢病⼈使⽤运动意图脑机接⼜提供了原理性的基础。右右运动想象或意图是否在⼤脑内有它的神经信号基础︖这种信号是否可以被提取出来⽤于机械臂控制︖此项⼯作⾸次证明，使⽤⼤脑⽪层信号来控制多关节假肢设备，能够与物理环境进⾏直接、实时的互动。Cyberkinetics瘫痪病⼈是否能够控制他们⾃⼰瘫痪的肢体2016年BattelleMemorialInstitute&OhioStateUniversity肢体移动中的触觉是否可以被恢复2020年BattelleMemorialInstitute&OhioStateUniversity恢复⾼位截瘫病⼈的肢体运动神经电子桥的概念示意图人的脊髓横剖面结构示意图恢复下肢⾏⾛功能恢复⼿的功能•神经电子桥的概念在恢复上肢运动的脑机接口中同样适用，但由于上肢的神经运动控制机制更为复杂，这方面的研究工作才刚刚开始。•2022和2023年，匹兹堡大学的MarcoCapogrosso教授团队在《自然·神经科学》和《自然·医学》杂志上分别发表了两篇文章，介绍了利用外加的开环颈椎脊髓硬膜外电刺激分别在因脊髓损伤或脑梗而瘫痪的猴子和病人身上实现了植入电极是否会改变周围脑组织的结构和功能使⽤新外设的经验会改变⼤脑脑在与机械⼿臂建⽴起一个闭环的反馈控制连接后，通过练习学会了新的交互⽅式。对应着神经元连接层⾯的物理变化。还可以让⼤脑来主动适应新的外设和功能。在新闻媒体上公布了他们的最新无线微创植入脑机接⼜的临床试验初步结果。一平台上，并且可以实现更好的功能效果和⽤户体验。展开了临床试验，第一名使⽤者经过3个算机光标在⼆维平⾯上的移动。