腦機接口技術(shù)應(yīng)用在哪些領(lǐng)域

近日，美國神經(jīng)科技和腦機接口公司Neuralink的聯(lián)合創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（特斯拉CEO）表示，他已經(jīng)將自己的大腦上傳到云端，并已經(jīng)與自己的虛擬版本交談過。這一消息在全球的科技領(lǐng)域引發(fā)了熱議，有關(guān)腦機接口技術(shù)又一次引發(fā)社會的關(guān)注。

腦機接口技術(shù)，又稱腦機融合感知技術(shù)，是以計算機、電極、芯片等外部裝置設(shè)備代替神經(jīng)、肌肉等常規(guī)中介來實現(xiàn)大腦與外界信息交互的新型通信控制技術(shù)，是一種顛覆傳統(tǒng)人機交互的新型技術(shù)。腦機接口技術(shù)融合了腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科知識，將生物學(xué)意義上的大腦與人造的智能設(shè)備系統(tǒng)融為一體，以實時感知和翻譯意識，實現(xiàn)機器與人類零距離的信息交換。在過去幾十年里，腦機接口技術(shù)不斷獲得突破，相關(guān)研究成果向外界展示了極高的應(yīng)用價值。腦機接口技術(shù)不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用潛力很大，在教育、娛樂、軍事、金融、智能家居等非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有不錯的應(yīng)用前景。

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腦機接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機接口技術(shù)可以直接實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互，開辟了非常規(guī)的大腦信息輸出通路。在為運動障礙和交流障礙患提供可選的與外部世界交流的渠道方面，腦機接口已形成初步的系統(tǒng)用于實驗室測試，在可預(yù)見的未來，將會在臨床上有廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對大腦結(jié)構(gòu)和功能的不斷探索，人類對于視覺、聽覺、運動、語言等大腦功能區(qū)有了更加深入的研究，通過腦機接口設(shè)備獲取這些大腦功能區(qū)的信息并進行分析，在神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病的診斷、篩查、監(jiān)護、治療與康復(fù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用空間。當(dāng)前醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域是腦機接口技術(shù)最大的市場應(yīng)用領(lǐng)域。

1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

1.1 肢體運動障礙

導(dǎo)致肢體運動障礙的疾病很多， 腦出血、 腦外傷、腦卒中等疾病都可導(dǎo)致患側(cè)腦區(qū)對應(yīng)的肢體控制出現(xiàn)障礙。腦卒中等疾病造成的運動功能障礙是最常見的功能障礙之一，運動神經(jīng)元受損導(dǎo)致的肌萎縮側(cè)索硬化癥（漸凍癥） 也可導(dǎo)致患者肌肉萎縮無力導(dǎo)致嚴重的運動障礙。腦機接口技術(shù)在肢體運動障礙診療的目標(biāo)是通過該技術(shù)的輔助治療，使患者改善當(dāng)前狀態(tài)，提高生活質(zhì)量。

腦機接口的改善功效可用于腦外傷、腦卒中和癲癇等疾病的治療。腦機接口的恢復(fù)功效可用于腦卒中后上下肢運動功能障礙的康復(fù)訓(xùn)練，通過主動康復(fù)訓(xùn)練促進運動皮層的神經(jīng)可塑性，也可用于肌無力和脊髓損傷等疾病的恢復(fù)。腦機接口的替代功效可為肌萎縮側(cè)索硬化癥、閉鎖綜合征、重癥肌無力或失語癥等患者提供輔助性的工具以幫助其日常生活，如腦控假肢、腦控輪椅和腦機通信系統(tǒng)等。

腦機接口技術(shù)在肢體運動障礙領(lǐng)域的應(yīng)用方式主要有兩種：一是輔助性腦機接口， 即通過腦機接口設(shè)備獲取患者的運動意圖， 實現(xiàn)對假肢或外骨骼等外部設(shè)備的控制；二是康復(fù)性腦機接口，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑性，經(jīng)過腦機接口設(shè)備直接作用于大腦進行重復(fù)性反饋刺激，可以增強神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，在一定程度上實現(xiàn)修復(fù)。

1.2 精神疾病診療

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近幾十年來精神疾病的患病率持續(xù)升高，越來越多的特定人群對于精神和心理健康的改善有著迫切的需求。以抑郁癥為例，接近30％的抑郁癥患者屬于難治性抑郁癥,傳統(tǒng)的藥物治療、物理治療以及認知行為治療方法在這類患者身上的治療效果欠佳。腦機接口技術(shù)的發(fā)展，有望大幅提高一些疑難性精神疾?。ㄈ鐝娖劝Y、抑郁癥、精神分裂癥等）的研究和診療水平。腦機接口的神經(jīng)調(diào)控功效基于輸入式BCI和NF技術(shù)，可促進異常腦結(jié)構(gòu)和功能的可塑性正向發(fā)展，從而促進康復(fù)，如用于調(diào)控強迫障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、輕度認知障礙、情緒障礙和藥物依賴性（如酒精、煙堿、大麻或阿片類等）等神經(jīng)精神疾病。

與其他生理信號相比，腦電信號可以提供更多深入、真實的情感信息。通過學(xué)習(xí)算法，提取腦電信號特征，能實現(xiàn)多種情緒（如悲傷、憤怒、恐懼、驚訝、愉悅、平靜等） 的判斷分析，從而用于輔助治療抑郁癥、焦慮癥等精神類疾病，并研究其發(fā)病機制。在精神疾病康復(fù)治療方面，基于腦機接口的神經(jīng)反饋訓(xùn)練可在抑郁癥、焦慮癥等治療中發(fā)揮積極作用。

越來越多的科研機構(gòu)和科技公司都在開展相關(guān)研究，例如馬斯克旗下的Neuralink公司正在研究通過腦機接口技術(shù)解決精神分裂癥和記憶力喪失等精神疾病。 國內(nèi)方面，2020年12月，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院腦機接口及神經(jīng)調(diào)控中心正式成立， 中心的第一個臨床腦機接口研究項目“難治性抑郁癥腦機接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究”同時啟動，通過多模態(tài)情感腦機接口和腦深部電刺激方法治療難治性抑郁癥。

1.3 意識與認知障礙診療

因顱腦外傷、 腦卒中、 缺血缺氧性腦病等病陷入昏迷， 繼而進入長期的意識障礙狀態(tài)的患者，傳統(tǒng)意義上的“植物人”狀態(tài)，數(shù)量也較多。目前對這類患者還沒有綜合系統(tǒng)規(guī)范的治療方式，如何加快意識障礙患者的功能恢復(fù)已成為亟待解決的臨床問題之一。

通過腦機接口設(shè)備獲取并分析患者的腦電信號，可以掌握患者的意識狀態(tài)，實現(xiàn)意識障礙診斷與評定、 預(yù)后判斷， 甚至與意識障礙患者實現(xiàn)交流。具體方式是，通常采用患者自己的名字、 照片等信息，通過聲音、圖像、觸覺等作為靶刺激，以小概率出現(xiàn)，其他無關(guān)刺激以高概率隨機出現(xiàn)，腦機接口設(shè)備獲取患者受到靶刺激后的腦電信號，分析患者狀態(tài)， 部分患者可能對靶刺激有特異性反應(yīng)， 這種“腦電交流”有助于醫(yī)生判斷患者是否有喚醒康復(fù)的可能，從而針對性的采取治療措施。

1.4 癲癇和神經(jīng)發(fā)育障礙診療

癲癇與皮層神經(jīng)發(fā)育缺陷密切相關(guān)。癲癇領(lǐng)域是腦機接口系統(tǒng)最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，其發(fā)作具有典型的電生理異常， 呈現(xiàn)狀態(tài)性特點，癲癇的診斷中，腦電一直是臨床診斷的重要標(biāo)準(zhǔn)。 隨著采集設(shè)備與方法等技術(shù)的突破， 對腦功能和疾病的研究越來越深入，腦機接口在癲癇領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了一些相對成熟的應(yīng)用。 癲癇的診療中，通過腦電輸出和判斷大腦的功能和疾病的信號，通過對顱內(nèi)電極的電刺激輸出“指令” ， 以誘發(fā)患者功能區(qū)的響應(yīng)，通過手術(shù)切除、熱凝、激光損毀等技術(shù)實現(xiàn)改變和治療大腦的癲癇網(wǎng)絡(luò)，目前已在臨床成熟應(yīng)用。

02

腦機接口技術(shù)在其他非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機接口技術(shù)除了在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用之外，在其他非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有潛在的廣泛應(yīng)用。

1.軍事領(lǐng)域

腦機接口技術(shù)在軍事領(lǐng)域?qū)儆谇罢靶匝芯亢蛧L試應(yīng)用，如戰(zhàn)士可以通過佩戴腦信號采集帽對相應(yīng)武器發(fā)出作戰(zhàn)指令，達到降低人員傷亡，加強作戰(zhàn)能力的目的，還可以監(jiān)測作戰(zhàn)人員的生理和心理狀態(tài)，利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時分析戰(zhàn)士情緒、注意力、記憶力等生理心理指標(biāo)，從而增強相關(guān)作戰(zhàn)人員軍事技能的表現(xiàn)。2020年8月，美國智庫蘭德公司發(fā)布了《腦機接口在美國軍事應(yīng)用中作用的初步評估》研究報告，認為BCI技術(shù)很可能在未來的戰(zhàn)場上具有實際用途，如提高通信速度，增強環(huán)境態(tài)勢感知能力，并允許操作員同時控制多個技術(shù)平臺。

2.教育領(lǐng)域

在教育方面，腦機接口技術(shù)可以實時監(jiān)測學(xué)員的大腦狀態(tài)，通過分析和評估大腦狀態(tài)與學(xué)業(yè)表現(xiàn)之間的關(guān)系，建立基于BCI 的個性化教學(xué)環(huán)境。在特殊教育領(lǐng)域，腦機接口技術(shù)可幫助特殊教育的學(xué)習(xí)者增強甚至重建身體缺損的感官功能，并通過操控肢體的輔助設(shè)備提高學(xué)習(xí)效率，重建與暢通整個學(xué)習(xí)反思鏈條，從而順利完成各項學(xué)習(xí)任務(wù)。在教育資源匱乏的地區(qū)，應(yīng)用腦機接口技術(shù)有助于緩解師資緊缺的局面。腦機接口等數(shù)字技術(shù)的適當(dāng)介入，可以使學(xué)生的認知能力得到延伸，增強學(xué)習(xí)體驗感，激發(fā)深入學(xué)習(xí)的興趣。在智慧課堂教學(xué)實踐中，腦機接口技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測每一個學(xué)生的身體狀態(tài)、情緒狀態(tài)和思維等方面的動態(tài)變化，便于教師適時調(diào)整教學(xué)策略，并對學(xué)生進行針對性指導(dǎo)。當(dāng)融入虛擬現(xiàn)實設(shè)備后，更有助于營造一個身臨其境的氛圍，能夠使學(xué)生增強感官效果，提升具身體驗，進一步提高學(xué)習(xí)效率。

3.娛樂游戲領(lǐng)域

在娛樂游戲方面，可以將腦機接口技術(shù)與虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)相結(jié)合，通過佩戴在玩家頭皮上的傳感器采集腦信號，然后將信號傳輸至計算機，并由解碼算法將信號轉(zhuǎn)化為游戲中需要執(zhí)行的指令，就可以實現(xiàn)用“意念”玩游戲，這不僅可以提升游戲的娛樂性，而且對于一些肢體障礙的玩家，也在很大程度上提升了游戲的友好度。腦電信號的采集是腦機接口游戲的重要環(huán)節(jié)之一，目前用于表征大腦功能狀態(tài)的腦信號主要有腦電圖(EEG)、腦磁圖（MEG)、功能性磁共振成像(fMRI)和功能性近紅外光譜(fNIRS)等。與其他幾種腦電信號相比，基于頭皮腦電的BCI(EEG-based BCI)具有無創(chuàng)、時間分辨率高、成本低、便攜性好等特點，是目前腦機接口游戲BCI主要采用的實現(xiàn)方式。

4.日常生活領(lǐng)域

在日常生活方面，以智能家居為例，腦機接口技術(shù)既能通過測量和提取人腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)信號，實現(xiàn)對外部家居設(shè)備的操控，也能通過外部設(shè)備對神經(jīng)系統(tǒng)的刺激和神經(jīng)反饋，實現(xiàn)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控，使得人腦與外部設(shè)備之間形成具有神經(jīng)反饋調(diào)控的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)人機或腦機的智能融合。腦機接口扮演的是類似于“遙控器”的角色，幫助人們用“意念”控制開關(guān)燈、門、窗簾等，進一步可以控制智能家用機器人。腦機接口技術(shù)還可以與通信系統(tǒng)結(jié)合，并開發(fā)無人駕駛汽車。而基于腦接機口的腦-腦聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是更加前沿的未來潛在的研究及應(yīng)用方向。

腦機接口技術(shù)被稱為“人工智能的下一步”，展現(xiàn)了無限可能，吸引著科學(xué)家們前赴后繼，不懈攻關(guān)，也將是國際競爭的焦點。