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东吴计算机【脑机接口技术和应用】

东吴大都督  · 公众号  · 股市  · 2024-12-29 22:52

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1. 什么是脑机接口

脑机接口( Brain-Machine Interface, BMI ;也称 Brain Computer Interface BCI )是一种在脑与外部设备之间建立通信和控制通道,用脑的生物电信号直接操控外部设备,或以外部刺激调控脑的活动,从而增强、改善和延伸大脑功能的技术。脑机接口目前主要作为一种神经替代体存在,它使电子设备能够直接与大脑的某些部分进行通信。


根据脑信号采集时电极植入大脑的位置,脑机接口主要分为三类:非侵入式、半侵入式和侵入式


非侵入式脑机接口 不需要将电极植入大脑内部,只需要将电极附着在头皮上。医院里目前已经广泛应用的脑电图 (electroencephalogram EEG) 就是典型的以非侵入方式获取脑电信号的一种技术。

半侵入式 脑机接口通常需要将电极植入头皮下、贴合硬脑膜但不需要直接穿透大脑皮层,一种典型的应用是脑皮层电图( ECoG ),它将电极放置在大脑皮层表面、采集大脑皮层电信号,通常用于癫痫病灶的定位和手术指导。其优点在于信号质量较高,空间分辨率优于 EEG ,手术风险相对较小;缺点在于需要开颅手术。

侵入式脑机接口 是指通过开颅手术 , 将电极植入大脑皮层,直接采集高质量的脑电信号。侵入式脑机接口根据其电极植入的深度又可分 皮层电极和深度电极 皮层电极 是最常见的侵入式脑机接口之一,它将电极植入大脑皮层,其优点在于信号质量高,能够捕捉到非常精细的大脑活动;缺点则在于手术风险高,可能导致感染、出血等并发症,且植入后需要长期维护。 深度电极 则是将电极植入大脑内部,采集深层神经元的信号,通过刺激大脑的特定核团来改善某些神经系统疾病症状。其优点在于对于某些特定类型的信号采集效果较好,治疗效果显著,缺点是手术风险更大,植入位置和深度的要求较高,过程复杂,且需要定期调整刺激参数。

根据广义 BCI 的定义,结合我国现行《医疗器械分类目录》的规定,与 BCI 相关设备的分类主要为 II 类和 III 类。由于 III 类医疗器械在注册难度、监管要求、申请受理部门层级和申请时长等方面都远高于 II 类医疗器械, 我国脑机企业目前大多选择非侵入式采集技术路线。对于侵入式脑机设备,目前都处在临床性研究和动物实验阶段。



脑机接口的应用有四层金字塔:

1) 修复: 通过脑机接口设备,让机器替代人类身体的一些机能,修复残障人士的生理缺陷。如让瘫痪病人重新站起来行走,让失明的人重新获得视觉功能。这是脑机接口的初衷,也是实验室里研究最深入的一项应用。

2) 改善: 通过脑机接口,改善大脑运行,让人能精神抖擞、注意力集中、思维敏捷,能够清醒高效地去做一件事情。这是脑机接口技术目前离商业化最近的应用。

3) 增强: 通过脑机接口,让我们短时间内拥有大量的知识和技能。记忆移植就是这个领域研究的重点。美国科学家已经发现大脑海马体的记忆密码,开始尝试用芯片备份记忆,然后把芯片植入另一个大脑,实现记忆移植。这个实验已经在猴子身上取得成功。

4) 沟通: 有了脑机接口,人类不用语言,仅靠大脑中的脑电信号就可以彼此沟通,实现 “无损”的大脑信息传输。



2. 政策支持加大投入,技 术不断突







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