腦芯片-腦機(jī)接口治療技術(shù)進(jìn)展

徐如祥

神經(jīng)調(diào)控治療是一門新興學(xué)科，相對于原來的射頻毀損和切除手術(shù)而言，其核心技術(shù)是通過調(diào)控脈沖電刺激強(qiáng)度，實現(xiàn)疾病的脈沖刺激治療。特點為其脈沖刺激治療過程是可逆的，治療參數(shù)可以在體外的計算機(jī)進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳治療效果。新近發(fā)展的腦芯片是一種能夠?qū)崟r模擬人類大腦處理信息的神經(jīng)環(huán)路調(diào)控裝置，腦機(jī)接口技術(shù)將成為神經(jīng)調(diào)控治療技術(shù)最新的發(fā)展方向，為老年性癡呆癥、帕金森病、精神性疾病、癲癇、小兒腦癱等藥物難治性疾病的治療開創(chuàng)新的治療策略。

一、腦機(jī)接口的概述

腦機(jī)接口是一種全新神經(jīng)控制和交流方式，如意識打字、心靈控制等。腦機(jī)接口技術(shù)是在人工智能的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。人工智能利用計算機(jī)科學(xué)開發(fā)用于模擬/延伸/擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的科學(xué)技術(shù)。腦機(jī)接口是在人或動物腦與外部設(shè)備（計算機(jī)）間建立的信息連接通路。腦機(jī)接口的模式包括單向和雙向腦機(jī)接口。單向腦機(jī)接口即計算機(jī)單向接受大腦傳來的指令，或者發(fā)送信號到大腦；雙向腦機(jī)接口為大腦和外部設(shè)備（計算機(jī)）之間的雙向信息交換。

腦機(jī)接口與人工智能表現(xiàn)為3 種形態(tài)：（1）腦機(jī)單向連接，即大腦-計算機(jī)之間的單向連接；（2）腦機(jī)雙向連接：即大腦-計算機(jī)之間的雙向連接，相互作用；（3）腦機(jī)融合人工智能：即大腦的生物智能與計算機(jī)人工智能的融合。腦機(jī)接口技術(shù)可以用于神經(jīng)工程、生物醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、機(jī)器人、機(jī)械工程、電氣工程等領(lǐng)域。神經(jīng)工程領(lǐng)域的腦機(jī)接口種類有侵入式、部分侵入式及非侵入式。

二、腦機(jī)接口的發(fā)展與問題

1.腦機(jī)接口的發(fā)展及應(yīng)用：人工智能及腦機(jī)接口是腦研究的前沿科學(xué)技術(shù)。1950 年，胡塞·戴爾卡多在全球首次進(jìn)行了腦機(jī)接口試驗，以改變?nèi)说那榫w和肢體活動，由于存在倫理學(xué)爭議，該項試驗被迫停止。20 世紀(jì)80 年代以來，人工耳蝸是腦機(jī)接口技術(shù)在臨床的實際應(yīng)用，這是真正意義的腦機(jī)接口在人類疾病的首次應(yīng)用。

21 世紀(jì)是腦的世紀(jì)，“認(rèn)識腦、控制腦、仿生腦”是國際腦科學(xué)研究的熱點。中國腦計劃確定“一體兩環(huán)”的目標(biāo)：探索腦的認(rèn)知功能”、“解決腦重大疾病救治”及“開發(fā)人工智能/腦機(jī)接口技術(shù)”，例如：腦機(jī)接口——機(jī)械臂輔助患手完成喝咖啡任務(wù)；腦機(jī)接口——控制智能機(jī)械臂完成喝咖啡任務(wù)；腦機(jī)接口——智能機(jī)械輔助癱瘓腿完成世界杯開球任務(wù)；腦機(jī)接口——猴的腦控技術(shù)等。2019 年7 月16 日，馬斯克（美國）公布了其團(tuán)隊最新的腦機(jī)接口方案，轟動了全球。

2.腦機(jī)接口存在的問題：腦科學(xué)依然有很多人類認(rèn)知上的空白，目前腦機(jī)接口會對人類的自我認(rèn)知和社會結(jié)構(gòu)帶來的改變難以預(yù)測，潛在威脅、法律界限和社會倫理尚不清楚。腦機(jī)接口的商業(yè)化也是長路漫漫，在很長一段時間里，人工智能-腦機(jī)接口的研發(fā)資金需求巨大，要研制出幫助強(qiáng)化記憶、解決腦重大疾病治療的實用性強(qiáng)腦機(jī)接口，任重道遠(yuǎn)。

三、腦深部電刺激器的臨床應(yīng)用與問題

1.深部腦刺激器的發(fā)明與臨床應(yīng)用：1987 年，法國Benabid 發(fā)明腦深部刺激器，從技術(shù)上講，深部腦刺激器類似于單向腦機(jī)接口系統(tǒng)，主要用于帕金森病的靶點刺激治療。深部腦刺激器植入丘腦底核脈沖刺激治療帕金森病，植入丘腦中央核-束旁核刺激器治療植物人。深部腦刺激器的特點是通過腦刺激器參數(shù)設(shè)置與調(diào)控，獲得最佳治療效果，刺激參數(shù)是可調(diào)控的。

2.深部腦刺激器的問題：（1）雖然深部腦刺激器是一種電子器件，利用脈沖發(fā)生器發(fā)放脈沖刺激，工作模式類似“單向腦機(jī)接口”，但是其刺激精準(zhǔn)性和可控性差；（2）電子集成的脈沖發(fā)生器體積大、功耗高、壽命短、手術(shù)創(chuàng)傷大、儀器成本高；（3）腦內(nèi)植入刺激電極與脈沖發(fā)生器連接導(dǎo)線長，發(fā)生過敏反應(yīng)、皮下隧道感染、導(dǎo)線折損的風(fēng)險較大，在一定程度上限制了臨床廣泛推廣應(yīng)用。

四、微芯腦控儀系統(tǒng)研制及應(yīng)用

微芯腦控儀系統(tǒng)，是利用芯片化脈沖發(fā)生器、異構(gòu)三維高密度微系統(tǒng)集成和WiFi 充電工程化等一系列新技術(shù)，使其整機(jī)及脈沖發(fā)生器體積和質(zhì)量顯著減小、功耗大幅降低、刺激調(diào)控精度高、可控性強(qiáng)。芯片脈沖發(fā)生器可以直接埋置在頭部刺激電極附近頭皮下的骨窗內(nèi)，無需延長導(dǎo)線，顯著減少手術(shù)創(chuàng)傷和并發(fā)癥，提高患者的舒適感。這是腦機(jī)接口技術(shù)在神經(jīng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新發(fā)展。筆者開展初步試驗，自主創(chuàng)新設(shè)計了微芯腦控儀系統(tǒng)原理框架圖，初步研制了腦微芯片，設(shè)計了單向、雙向的腦機(jī)接口結(jié)構(gòu)模式圖，為下一步研制奠定了基礎(chǔ)。微芯腦控儀的創(chuàng)新性：（1）脈沖發(fā)生器芯片化；（2）異構(gòu)三維高密度微芯片系統(tǒng)集成；（3）WiFi 充電工程化。

綜上所述，微芯腦控儀實用性強(qiáng)，臨床應(yīng)用前景廣闊，可為精神分裂癥、強(qiáng)迫癥、抑郁癥、老年性癡呆癥、植物人、帕金森病、癲癇、扭轉(zhuǎn)痙攣等一系列腦重大疾病救治提供新的治療技術(shù)和手段。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，有望成為解決腦重大疾病救治的新策略。

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