腦機接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

王子熠 趙婉婉 彭程 陳立范

摘要 腦機接口技術(shù)可以有效地幫助嚴(yán)重殘疾的病人使用神經(jīng)元信號來與外部產(chǎn)生交互。本文主要是介紹了目前世界上腦機接口技術(shù)的本質(zhì)和工作原理，其次是腦機接口在醫(yī)療方面的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，最后是腦機接口技術(shù)中普遍存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：腦機接口;醫(yī)療領(lǐng)域;應(yīng)用前景

腦機接口（Brain-Computer Interface）技術(shù)，是一種直接將大腦和計算機連接在一起的裝置[1]。該裝置通過獲取人類大腦中的神經(jīng)活動信息和人造數(shù)字設(shè)備中的信息，來實現(xiàn)彼此自由的轉(zhuǎn)換。直觀地說，腦機接口可以讓我們擺脫語言，肢體動作等任何外在的東西，直接使用自己的意念（即腦神經(jīng)信號）去使用各種電子設(shè)備。腦機接口技術(shù)作為從70年代開始發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，越來越普遍地造福于肢體癱瘓等的患者，并且應(yīng)用于娛樂、教育、日常生活等領(lǐng)域。它使腦和神經(jīng)的信號檢測技術(shù)轉(zhuǎn)向消費市場，有著十分光明的前景[2]。

1 腦機接口技術(shù)的本質(zhì)和工作原理

腦機接口技術(shù)的本質(zhì)，是通過某些手段感受并檢測大腦中的電信號，并將其進行翻譯，從而對外部設(shè)備進行控制;或者感受外部環(huán)境，從而轉(zhuǎn)換成脈沖信號并傳輸回大腦，干涉電信號，讓其獲得相應(yīng)的感官體驗。

腦機接口主要分為侵入式和非侵入式。非侵入式的腦機接口是直接采集人類頭皮的腦電。但是由于人體的頭皮與神經(jīng)元之間所隔的距離相當(dāng)遙遠，因此這樣所采集到的腦神經(jīng)信號精準(zhǔn)度非常低，區(qū)別程度也不足。而一種侵入式的腦機接口，就是直接與人類大腦的各個神經(jīng)元發(fā)生交互。侵入式計算機接口最主要的優(yōu)點之一就是其干擾范圍小，能夠精確地對該區(qū)域內(nèi)部進行一定的刺激。但是該方式對于植入設(shè)備的排異性，大腦的損傷都存在不可逆的巨大風(fēng)險。

2 腦機接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機接口具有強大的發(fā)展前景，它具備在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的潛力。對于那些遭受了重大事故，或者先天性缺陷的患者，腦機接口技術(shù)能夠讓他們通過意念來控制外部設(shè)施，增強與外界的交互能力。隨著現(xiàn)代信息科技的進步，腦機接口可以幫助人們修復(fù)腦神經(jīng)，在醫(yī)療方面有著無限的前景。

1）2020年埃隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)立的未來派腦機接口公司Neuralink實驗有了新的進展。他們將一只獼猴取名為帕格并在帕格的大腦里安裝了Neuralink芯片。馬斯克只需將Neuralink與iPhone配對即可實現(xiàn)交互，就像把手機和藍牙音箱配對一樣。這個設(shè)備記錄了2000多個電極的信號，這些信號來自帕格控制手和胳膊的大腦運動皮層。這個區(qū)域的神經(jīng)元，可以通過發(fā)送信號來協(xié)調(diào)手部運動。例如，有些神經(jīng)元在舉起手時可能會變得活躍，而有些神經(jīng)元在把手向右移動時會變得活躍。通過把這些信號輸入到解碼程序，馬斯克就能實時預(yù)測它的手部動作。馬斯克的目標(biāo)是幫助殘障人士，通過生物芯片的植入讓患者使用腦神經(jīng)信號與外界進行交流并操控電子設(shè)備，從而達到人腦與外界設(shè)備進行通訊。

2）2020年8月12日，淘寶造物節(jié)發(fā)布宣傳視頻，推出了一項腦機接口的新科技：意念購。顧名思義，就是通過人大腦的意念控制來實現(xiàn)人機交互，從而解放雙手直接下單購物。全球多所名?？茖W(xué)家潛心研究腦機接口技術(shù)，并聯(lián)手淘寶共同研發(fā)“意念淘寶”芯片;未來消費者在淘寶上購物，只要想一想就能完成意念購物，一場顛覆式的購物體驗。淘寶意念購的目標(biāo)是打造成虛擬生活+現(xiàn)實生活的操作系統(tǒng)，不只是購物。根據(jù)芯片附帶的專利說明書，淘寶所創(chuàng)造的未來網(wǎng)購是這個樣子：首先系統(tǒng)會通過腦機信號的提取接口得到我們的第一視覺圖像，然后從這個圖像里面識別出來我們想要購買的那個物品。把這個物品的圖像提取出來之后，再把它放進服務(wù)器里面檢索，然后再通過腦機接口給我們反饋具體的商品信息。根據(jù)識別到的意識信息，芯片會按照我們的意圖向服務(wù)器發(fā)送下單或者取消的指令，而這只是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。通過腦機接口，芯片還可以結(jié)合我們看到的現(xiàn)實對商品進行高度的模擬，一個虛幻的世界就此產(chǎn)生。在挑選商品的過程中，我們還可以隨時把其中的信息發(fā)送給另外一個用戶的腦機接口，然后得到反饋。雖然這種描述看起來很繁瑣，但是這個過程不需要任何外在的動作。這些復(fù)雜的環(huán)節(jié)都可以在我們的腦海里瞬間完成。

隨著科技的發(fā)展，腦機交互設(shè)備的體型越變越小。交互設(shè)備未來的發(fā)展方向很大程度上是使用生物材料，比如神經(jīng)細(xì)胞作為外殼包裹住芯片，或者把芯片放入培養(yǎng)皿，用生物的方式從中培養(yǎng)一塊設(shè)備出來。這種微型化的腦機交互設(shè)備讓使用者徹底擺脫了場地和活動的限制。

3 腦機接口技術(shù)面臨的主要問題

隨著神經(jīng)科學(xué)對人腦信息編碼和加工機制的深入揭示以及腦機接口技術(shù)的日益革新，腦機接口的范圍和精度得到了快速擴大和提升，應(yīng)用場景也越來越廣泛。但是這項技術(shù)也面臨著一些問題：

1）技術(shù)問題。目前人類對于腦神經(jīng)的研究速度是小于腦機接口的研究速度的，按照目前的發(fā)展技術(shù)，無論是侵入式和非侵入式，都很難進行大規(guī)模的應(yīng)用。作為一個交互過程，腦機接口在讀懂腦信號的基礎(chǔ)上還要進行干預(yù)和治療，在這之中涉及到的神經(jīng)解碼和編碼機制等問題一直處于初級階段，還需要突破。

2）商業(yè)化問題。即使腦機接口技術(shù)對于醫(yī)療起到了相當(dāng)大的作用，但其造價仍十分昂貴，如何實現(xiàn)平民化和大眾化仍是一個巨大的挑戰(zhàn)，并且有很大風(fēng)險。如侵入式的腦機接口就是在大腦皮層植入電極，危險性和植入難度較大，對人體可能會造成意想不到的傷害等原因而導(dǎo)致無法擴大市場。

3）倫理問題。歸根結(jié)底，侵入式腦機接口仍是十分不人道的行為，如何說服人們接受腦機接口也是一個不小的挑戰(zhàn)。其主要倫理問題包括風(fēng)險，風(fēng)險受益比，知情同意，隱私保護，自主性及其責(zé)任、社會公平和公正[3]。

4）人才儲備問題。腦機接口技術(shù)在科學(xué)界仍然屬于前沿科技，這樣必然需要大量的科學(xué)人才，而如何解決科學(xué)人才的需求也是腦機接口在我國發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

本文簡要介紹了腦機接口的基本特性，腦機接口在醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景，腦機接口的實現(xiàn)方式，腦機交互設(shè)備材料的發(fā)展趨勢，腦機芯片的實例和腦機接口所面臨的問題[4]。目前對于人腦的開發(fā)人類尚處初級階段，腦機接口也有很大的發(fā)展空間。隨著現(xiàn)代社會以及科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展和進步，未來腦機接口在醫(yī)療領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

參考文獻

[1]楊俊宇. 基于SSVEP的腦機接口系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[2]顧凡及. 腦機接口技術(shù)[J]. 科學(xué)，2016，68（006）：40-44.

[3]周吉銀，劉丹.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用腦機接口技術(shù)的倫理困境[J].中國醫(yī)學(xué)倫理學(xué)，2019，32（10）：1261-1266+1276.

[4]楊紅宇，徐鵬，陳彥. 異步腦機接口技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2011，30（05）：774-780.

通訊作者：

陳立范（1986.9-），女，漢族，河南南陽人，博士，主要從事生物數(shù)學(xué)方面的研究。