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探索未来医学:脑机接口技术的革命性应用

发布日期:2024-04-17

来源:太阳集团tyc官方入口

脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)是指在人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接交流和控制通道,通过这种通道,用户可直接通过大脑思维来表达想法或操纵设备。随着科技的飞速发展,BCI技术已经从科幻电影走进现实,成为医学研究的前沿领域,为辅助瘫痪患者恢复行动能力、治疗神经系统疾病等提供了新的可能性。

一、研究进展

脑机接口在医疗领域的应用是其发展的第一推动力,目前主要经历了概念探索、科学论证和临床应用3个阶段。1924年,脑电波的首次发现为大脑研究奠定了基础。1970年,美国组建团队开始进行脑机接口相关研究,各国团队也相继开展探索,实现了刺激范式、脑机连接等技术突破。进入21世纪后,随着科学论证的不断完善、神经科学与相关技术的不断突破,各国纷纷开展脑机接口的战略布局,侵入式BCI技术和非侵入式BCI技术都有了较大的进展,如2004年实现了通过侵入式脑机接口控制机械臂,2019年非侵入式解码器将大脑信号转化为语音信号。相关专利量、论文发表量呈现爆发性增长,涌现了Neuralink等一批初创公司,概念应用产品相继推出。此外,随着认知/协同BCI等新范式的不断涌现,其应用也从临床医学向娱乐游戏、汽车等多元化领域拓展,逐渐形成产业化趋势。

图1 脑机接口医学应用的发展历程

表1 21世纪后脑机接口的国内外研究进展

二、应用趋势

经历了几十年的发展,BCI在医学领域的应用研究逐步深化,在诊疗肢体运动障碍、精神疾病、慢性意识障碍等领域展现出巨大的应用潜力。

(一)肢体运动障碍诊疗

BCI技术通过直接解读大脑信号并将其转化为外部设备的控制信号,赋予患者与外界互动的新方式,在一定程度上弥补身体功能的损失,改善和提高生活质量。

当前的研究和应用多为非侵入式,主要分为辅助性和康复性两类,是业界进展相对较快的领域。辅助性BCI着重于替代或增强物理功能,通过捕捉患者的运动意图,进而控制外部设备如假肢或外骨骼等。康复性BCI则专注于通过神经康复训练恢复或改善患者的运动能力,利用中枢神经系统的可塑性,通过重复性刺激来强化神经元之间的突触连接,促进修复。


图2 脑机接口在肢体运动障碍诊疗中的应用

(二)慢性意识障碍诊疗

BCI技术通过捕捉和分析患者的脑电信号,有效识别和评估患者的意识水平,从而实现对意识障碍的诊断、评定和预后判断。当前的研究和应用多为非侵入式,在临床上已有用于昏迷患者促醒治疗的案例。


图3 脑机接口在慢性意识障碍诊疗中的应用

(三)精神疾病诊疗

基于算法学习提取的脑电信号特征,能提供远超其他生理信号的真实、深层情感信息,从而实现对多种情绪的判别和分析。因此,基于脑电信号的神经反馈训练、情感识别研究可用于辅助记忆力丧失、自闭症等精神类疾病发病机制的研究和治疗。目前国内外在将侵入式BCI技术用于抑郁症辅助诊疗方面取得一定研究进展,但尚处实验室研究阶段。


图4 脑机接口在精神疾病诊疗中的应用

三、应用挑战

技术上仍有诸多局限性。BCI系统在信号采集、识别精度、处理速度、系统稳定性和自适应性方面仍存在不足。大脑的神经元结构极为复杂,对大脑工作机制和反馈刺激的研究还相对有限。人机交互界面操作复杂、训练周期长,针对不同患者的定制化研究难题亟待攻克。研发成本高昂、开发周期长,技术成熟度和产品化仍有较长距离。

安全和伦理面临挑战。统一的BCI基础理论框架和科学评价体系尚处缺位,面临知情同意、安全性、隐私、主体性和公平性等伦理问题。侵入式设备的高性能与创伤、出血、感染等脑损伤的高风险难平衡。思想被扫描、读出和监控的边界尚难界定,存在隐私泄露、黑客攻击等风险。

跨学科人才紧缺。BCI技术和产品需要神经科学、生理学、计算机科学、生物医学工程和材料等多学科支持与协作,跨学科交叉融合型人才短缺,亟需从学习课程设置、交叉培养与工作实践等方面予以加强。


图5 脑机接口技术研究与应用中存在的问题

四、总结与展望

在多学科演化驱动下,脑机接口技术正不断从科幻走向现实、从动物实验走向人体试验、从实验室走向临床和家用、从医疗领域走向更多领域。未来,脑机接口医学应用有望拓展至神经退行性疾病诊疗乃至日常健康管理等领域,但也仍需从以下维度加强引导和支持。

增强医疗领域应用研究能力。鼓励科研院校和企业加快脑机接口前沿技术布局与探索,持续推动基础理论、前沿材料、先进算法等技术突破,不断提升脑机接口关键元器件、芯片等关键技术及产品的研制水平。

持续完善产业发展生态。以医疗、科研等需求为导向,加强产学研医协同,推动样本与数据的规范有序共享,打造应用研究-试验发展-概念验证-技术迭代-产业化发展的良性循环,提升BCI技术融合赋能水平。

完善脑机接口产业法律法规和技术标准体系。加快推动脑机接口临床应用标准建设,建立行业标准体系。出台相关科技伦理审查标准,进一步细化、明确侵入式脑机接口伦理临床研究审查要点。

参考文献:

[1]李静雯,王秀梅.脑机接口技术在医疗领域的应用[J],信息通信技术与政策,2021(2):5.

[2]陈琪,袁天蔚,张丽雯.脑机接口医学应用的研发现状与趋势[J],生物医学工程学杂志,2023,40(3):566-572.

[3]工信部:提升脑机接口与医疗、民生等领域融合应用水平[EB/OL].(2023-05-30)[2024-04-03].http://finance.people.com.cn/n1/2023/0530/c1004-40002217.html

[4]国家金融研究院.脑机接口行业图谱[EB/OL].(2023-06-14)[2024-04-03].https://www.pbcsf.tsinghua.edu.cn/info/1090/6657.htm

 

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