815
0
2023-11-03
2023-11-03
一、背景
当前，脑机接口已成为全球科技前沿热点。在成都举行的第81届世界科幻大会，也将目光投向了这一科幻与科技迭代互进的领域。10月18日，“脑机接口—打开数字孪生时代的钥匙”主题沙龙在成都科幻馆举办，围绕脑机接口和数字孪生展开了一场“头脑风暴”。此次沙龙邀请了深圳大学副校长张学记、电子科技大学生命科学与技术学院教授，四川省脑科学与类脑智能研究院院长尧德中等嘉宾分享关于脑机接口的实践经验和前沿观点，探讨脑机接口技术的最新突破与进展、未来的应用场景等问题。
二、脑机接口的研究进展、应用与挑战
脑机接口指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。作为神经科学最前沿的领域，脑机接口成为了当下最新一代的人机交互方式。脑机接口研究的目的在于改善人的生活，为人类实现新的功能，运用创新的科技达到超越今日生活中的普遍感知功能。此外，脑机接口还可以用于开发新的医疗技术，以治疗多种神经科学障碍。
在沙龙现场，张学记通过视频进行了题为“生物传感器驱动的思维连接”的主旨分享，他介绍了关于生物传感器在神经连接方面的应用、前景和挑战，并表示生物传感器与大脑的交互作用将为人类提供一种全新的思维方式。
随后，尧德中以“脑机接口——一个科幻与科技迭代互进的领域”为题作了主旨分享，他分享了脑机接口的最新研究进展，并分析了脑机接口在医疗、通讯、智能等领域的应用前景。尧德中在分享的过程中，通过幂律脑波音乐等生动例子，深入浅出地为大家介绍脑机接口技术。
此外，南开大学教授、天津市脑科学与智能康复重点实验室主任段峰拿出一圈“金属丝”，向与会者分享了其团队关于脑机接口研究的最新进展——
今年5月，全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功。该试验在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂，突破了血管内脑电信号采集、介入式脑电信号识别等核心技术，对推动脑科学领域研究具有重要意义。从视频资料来看，这只手术后的猴子，只需要“想一想”，就能让机械臂把食物送进口中。
目前，实现脑机接口主要有三种方式，包括侵入式脑机接口、非侵入式脑机接口和介入式脑机接口。其中，侵入式脑机接口通过开颅等方式，将电极植入脑内，获取细胞放电率等清晰的脑电信号。2021年Neuralink进行的猴子用意念打游戏的实验便是使用这种方式。段峰强调，“侵入式脑机接口的脑电信号更准确，但需要进行开颅手术，可能对受试者造成伤害。”
非侵入式脑机接口直接在头皮表面采集脑电信号，安全性相对更有保障，但由于脑电信号在体外采集，易受大脑容积导体效应的影响，脑电信号长期稳定性差。而介入式脑机接口通过微创介入方式，将血管穿刺小口，使电极沿着静脉导入到相应的大脑皮层区域，无需开颅即可提取颅内脑电信号，类似心脏支架介入的微创手术实现脑机连接。
此次段峰团队牵头研发的介入式脑机接口试验，就是通过介入手术将介入脑电传感器贴附在猴脑血管壁上，无需开颅手术即可采集到颅内脑电信号。
在此次试验中，团队在食蟹猴的颈静脉进行穿刺手术，将电极导入矢状窦，到达运动皮层脑区，识别猴的上肢运动意图。由于在肢体移动的情况下容易受到肌电信号干扰，试验人员将猴的肢体固定。当猴看到食物产生想吃的欲望时，脑机接口识别到兴奋的信号，通过信号控制机械臂将食物送到猴的嘴边。
段峰介绍，去年，团队已在羊身上完成了介入式脑机接口动物试验，并成功采集到脑电信号。而此次猴试验，不仅成功采集并识别到非人灵长类动物介入式脑电信号，还实现了动物对机械臂的主动控制，实现了介入式脑电信号从被动采集到主动控制的技术飞跃，突破了血管内脑电信号采集、介入式脑电信号识别等核心技术。
三、脑机接口与数字孪生
脑机接口概念在20世纪70年代就被提出，是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。数字孪生则是基于计算机技术构建一个数字孪生脑。相关研究者认为，脑机接口技术是通向数字孪生的“钥匙”。大脑由神经元搭建起来，是一个有很多脑区或神经元层次交互的系统，利用数学公式将大脑结构解析，刻画出大脑内部的交互，通过计算机开展大规模的数值计算，能够形成一个小到神经元突触的某个层次、大到跨脑区环路甚至全脑的数字孪生模型。
脑机接口关注的是大脑与计算机的交互，而数字孪生关注的是计算机对实体世界的数字化建模和仿真。电子科技大学生命科学与技术学院教授郭大庆提出从结构和功能上构建一个与真实大脑相似的生物模型，并再现一些自发的脑活动与脑功能在实际上是可行的。
目前学界从神经系统或者脑动力学着手，已能部分实现大脑的数字孪生。但该项研究还处于初步阶段，从微介观水平构建全脑系统仍任重道远，其难点在于脑系统的复杂性以及对算力的巨大需求。
郭大庆分析说，有了数字孪生，就可以探索不同脑区之间的大尺度计算，了解并掌握大脑内部的整合规则和基本原理，利用生物脉冲神经网络构建相关智能模型。郭大庆团队正在开展大尺度脑活动动力学建模和机器学习探索，该模型有助于解析脑功能和脑疾病，发展类脑算法。
四、未来展望
从现有研究看，现阶段数字孪生最接近应用的领域是对脑疾病的调控。而对于未来研究趋势，郭大庆认为，半侵入式或者面向大脑动态调控的新型无创脑机接口将是新一代脑机接口主要发力的方向。在数字孪生领域，后续研究或将关注大脑中重要的角质细胞、血管系统等，研究其与脑神经的交互，“如果把这些考虑进来，有一天也许能真正孪生出一个人脑。”
撰写：张倩
审稿：高炜
参考文献
[1] https://www.chinanews.com.cn/sh/2023/10-21/10098304.shtml
[2] https://new.qq.com/rain/a/20231018A088OD00
[3] https://new.qq.com/rain/a/20231018A0AMMS00
[4] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20979216?commTag=true
