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脑机接口新进展:非侵入式技术多点攻坚,强化感知交互技术成未来推进方向
发布时间:2022-11-17 16:45 来源:21世纪经济报道 作者:蔡姝越

大脑,被称为人体内“3磅重的宇宙”,拥有约860亿个神经元。

而脑机接口(Brain-Computer Interface,即BCI)作为一项直接探究大脑这一人体最复杂的器官的前沿技术,已然成为一条科技公司竞逐的新兴赛道。

如Meta在2019年7月便与加州大学旧金山分校(UCSF)共同研发了能够实时解码实验对象在进行对话时大脑活动的BCI系统,并将信号转化为屏幕上的文字。2021年4月,马斯克创办的脑机接口公司Neuralink则尝试在猴子脑补植入芯片,以精准采取信号,让它通过意识控制仪器。

近年来,在我国的医疗康复领域,脑机接口技术也取得了相关的研发进展。

近日,国内脑机接口独角兽企业BrainCo强脑科技在上海召开年度发布会。其中,智能仿生手、智能仿生腿、脑机接口社交系统等最新脑机接口产品,在会上被一一公布。

脑机接口与仿生愿景

事实上,脑机接口技术发展至今,已有近百年的历程。

1924年,德国医生汉斯·伯格第一次观察到了电流计镜面微弱的震动,成功地记录了并命名了第一个人类脑电图(EEG),这也是人类历史上首次检测到脑电信号,继而开启了脑机接口技术的历史。

在中国电子技术标准化研究院等机构联合发布的《脑机接口标准化白皮书(2021)》中指出,当前全球脑机接口技术发展已进入第三阶段“技术和产业爆发期”。麦肯锡《The Bio Revolution Report》报告显示,未来10年到20年,脑机接口产业在全球范围内每年直接产生的经济规模可达700至2000亿美元。

在产业高速发展的背景下,脑机接口技术的具体落地场景具体如何?

21世纪经济报道记者注意到,在本次发布会中,“仿生”是频繁被提及的脑机接口技术实现的场景之一。本次公布的智能仿生手BrainRobotics和智能仿生腿Mobius两款产品,皆意在还原“仿生”这一概念。

其中,智能仿生手于近日获得了美国食品药品监督管理局(FDA)认证,而这一产品的诞生经历颇具传奇色彩。据BrainRobotics开发团队回忆,曾有一位来自MIT的同事因学校实验事故失去了右手,鉴于当时团队已经在底层的脑机接口技术上有了一定的积累,因此便希望为他做一只可以随心而动的“手”。

操控假肢就像操控复杂的机械一样,需要学习和记忆切换这些开关的顺序。如何控制一款功能复杂的仿生手,成了团队在研发过程中遇到的最大难点。

为了解决操作复杂的问题,21记者了解到,团队在研发过程中,利用非侵入式脑机接口技术以获得使用者的运动意图,同时利用感应电极采集皮肤表面肌电神经电信号。在采集到信号后,设计相应信号采集放大电路,对信号进行处理。此外,进一步优化了运动意图识别算法,对使用者想要控制仿生手手指动作的想法进行区分辨识。

另一方面,本次发布的智能仿生腿产品则融合了脑机接口技术和人工智能算法,通过陀螺仪,肌电神经电采集等传感器处理人体的实时数据,识别用户意图,从而适应不同环境下穿戴者的步态,并动态调整膝关节阻尼状态。

非侵入式BCI治疗孤独症

除了智能仿生手和仿生腿,本次发布会中也提到了脑机接口技术帮助治疗孤独症(即自闭症)的进展,并介绍了开星果脑机接口社交沟通训练系统(StarKids)这款相关产品。

近年来,儿童罹患孤独症的现象逐步引起社会各界的重视。据宝宝树2021年3月发布的《中国自闭症家庭情况调研白皮书》数据显示,目前中国自闭症患者已超过1000万,其中0至14岁儿童患者超过200万,并以每年近20万的速度增长。

南开大学孤独症研究中心主任王崇颖教授在学术报告《孤独症谱系障碍的早期发育监测》中指出,0到6岁是大脑发育速度最快、神经可塑性最强的时期,因而也是孤独症儿童干预的黄金期,但因为筛查工作不到位,很多儿童错过了最佳的干预时期。

“孩子被诊断为孤独症之后,家长会很关心是否有有效的药物可以进行治疗?但当下的状况是,还没有特别针对性的药物可以有效治疗孤独症,需要行为学的干预和训练。”BrainCo创始人兼CEO韩璧丞提到了儿童孤独症治疗的现状。

他进一步指出,脑机接口技术可以针对孤独症谱系儿童本源性的脑神经发育障碍,进行“镜像神经µ波智能脑控反馈训练”。

“所谓µ波智能脑控技术,既是通过非侵入式的脑电波调控设备,实时解码和记录孤独症患者脑中的社交区域,并对其活跃度进行量化,从而实现对社交脑神经活动的反馈和强化调节。”BrainCo资深科学家、孤独症事业部主任杨锦陈在会后接受21记者采访时,向21记者解释了这一技术的原理。

据悉,目前的脑机接口技术主要可分为三种类型,分别为侵入式、非侵入式以及半侵入式BCI。而关于非侵入式BCI设备是否会面临信息采集量和精度不足的问题,杨锦陈则告诉21记者,通过硬件的迭代以及人工智能技术的不断升级,目前可穿戴的非入侵式BCI设备所采集到的脑电精度已达到了医疗级别。“通过研发水凝胶电极增强信息采集精度,并通过算法学习人脑的脑电信号,正持续不断地积累团队掌握的数据量。”他说。

21记者注意到,除BrainCo外,国内有多家脑机接口厂商也在儿童孤独症治疗赛道有所布局。如上海数药智能有限公司就在日前的2022世界VR产业大会暨元宇宙博览会中展示了“儿童孤独症VR评估与干预系统”,记录患儿眼动(角色眼睛、脸部及背景)、行为、脑电、呼吸、微表情等测量指标。

感知模块或成重点突破方向

近年来,随着脑机接口技术的不断发展,我国已将该技术视为国家科研战略计划中的重要一环。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中曾明确指出,要在脑科技及类脑智能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。

值得关注的是,在10月28日工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国家广播电视总局、国家体育总局印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划》(以下简称《行动》)中,也提到,要“加强肌电传感、气味模拟、虚拟移动、触觉反馈、脑机接口等多通道交互技术研究,促进感知交互向自然化、情景化、智能化方向发展。”

一名来自浙江的脑机技术研发人员在接受21记者采访时指出,《行动》中提到的方向更加偏向感知神经科学,可能是下一代脑机接口产品的发展方向。“现在的技术仍然是试图还原人体的真实行动,未来的脑机接口设备可能会致力于还原人体的触觉等感知模块,但仍然需要进一步地研究和实验。”

此外,2013年开始,美国、欧盟、加拿大等多个国家或地区亦相继开始了国家脑计划。

如2013年3月,美国公布了一项名为“脑活动绘图”的计划。参与者包括国家卫生研究院、国防部高级研究项目局、国家科学基金会等联邦机构,将共同推进对人类大脑近千亿神经细胞的理解,加深对感知、行为以及意识的研究。同年,欧盟提出了一个项目为期10年的“人类脑计划”,这一计划将通过计算机来模拟人类的大脑,然后将研究成果转化成相关的应用。

“随着传感器算法的不断突破,非侵入式脑机接口技术会深远地影响人类,未来脑机设备的数量可能会比手机还要多。”在发布会最后,韩璧丞对脑机接口技术的未来发展做出了大胆的展望。

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