介绍脑机接口在应用系统实现取得的成果以及目前进展和未来发展趋势

介绍脑机接口在应用系统实现取得的成果以及目前进展和未来发展趋势

一、应用系统实现：更有效的交流与控制

字符输入

图1 一位脊髓侧索硬化症患者通过脑机接口系统进行字符输入

动作控制

控制轮椅、机械手臂等动作辅助装置对于提升重度运动障碍患者的生活质量有着与字符输入同等重要的意义，也是脑机接口领域的重点研究方向。2017年5月，来自美国凯斯西储大学的研究团队在国际领先的临床医学期刊《The Lancet》上发表的研究则在这个方向上更进一步。他们将脑机接口与功能电刺激技术结合起来，使患者可以控制自己原本瘫痪的肢体与外界进行动作交互。

图2 结合颅内脑机接口与功能电刺激实现患肢闭环控制

基于脑机接口的动作控制应用不仅可以服务于用户的控制需求，还可能有更多的医学意义。幻肢痛是一种病人对他们不存在或者已经瘫痪的四肢感觉到疼痛的疾病，目前尚无有效治疗方案。日本大阪大学的研究团队发现利用脑机接口训练使得幻肢在感觉运动皮层的表征减弱，可以有效地减少幻肢的疼痛感，脑机接口训练有望成为一种可面向临床的幻肢痛治疗手段。该研究成果发表在《Nature Communications》期刊上，并获得2017年度脑机接口研究奖（2017 Annual BCI Award）第3名。

完全闭锁状态患者信息输出

二、应用关键技术进展：新硬件、新算法、新范式

新硬件

图3 M3BA概念图

信号采集是制约脑机接口从实验室走向现实生活应用的重要因素。对基于头皮脑电的无创脑机接口而言，湿电极方案的脑机接口系统需要花费较长时间准备导电膏，使用后需要清洗头发；而以往的干电极系统主要采集前额区域脑电信号，所得解码的大脑状态少且准确率低，实际使用场景有限。美国加州大学圣迭戈分校的研究团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》报道了一种将电极放置在耳后无毛发覆盖区域的稳态视觉诱发电位脑机接口系统，并在一个12分类任务中，达到了85%左右的分类正确率，信息传输率达到30 bit/min左右（图4（a））。这一研究进展对于普通健康人群在日常生活情境中便捷采集脑电并高效使用脑机接口提供了可行性支撑。相应的，基于耳后电极的脑机接口商业硬件现在开始出现（图4（b）），有望推动相关应用快速走向市场。

图4 耳后脑电采集位点新尝试

新算法

如何提高信息传输速率一直是脑机接口研究领域的重要话题。受到脑神经信号信噪比低等因素的限制，脑机接口的信息传输速率，相比于正常输出通路（即外周神经和肌肉组织）一直较低，如经典的P300脑机接口字符拼写系统的信息传输速率约为0.5 bit/s。2015年国内清华大学及合作研究团队报告了基于稳态视觉诱发电位的高速脑机接口系统，实现了4.5 bit/s的通信速率。2017年，中国科学院半导体研究所及合作研究团队取得进一步突破，提出任务相关成分分析算法，将稳态视觉诱发电位脑机接口的通讯速率进一步提升到5.4 bit/s，最优结果达到6.3 bit/s，是目前已有报道的最快头皮脑电脑机接口系统，有望推动脑机接口应用在普通健康人群的日常生活中。该项工作发表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》上。

此外，丹麦奥尔堡大学研究团队提出了一种可以实时监测受试者注意力变化并进行自适应特征提取的在线脑机接口算法，该算法在长期使用中依然保持良好性能。该成果获评2017年度脑机接口研究奖（2017 Annual BCI Award）第1名。

新范式

基于视觉诱发电位的脑机接口是当前信息传输速率最高的脑机接口类型，目前所报道的该类型系统中，每一个指令对应一个特定视觉编码（时间、频率或伪随机编码等），通过解读该编码所诱发的特定脑电响应来实现目标识别。2017年，德国汉堡大学的研究团队提出基于空间信息编码的稳态视觉诱发电位脑机接口新范式，仅使用一个稳态视觉刺激物实现多个注意目标的识别。该新范式基于视皮层视网膜映射原理实现，用户注意该视觉刺激的不同空间方位时，所诱发的脑电响应的空间模式不同，离线9方位的分类正确率达到95%左右。随后，汉堡大学与清华大学合作实现了一个4分类的在线系统，在一个实际二维运动控制游戏中实现了90%左右的在线分类性能。在这样的范式中，由于不需要直视稳态视觉刺激物，用户视觉负荷较低，用户体验更好；同时，该设计对计算机屏幕的使用也较经济，可以较好的被整合在更自然或复杂的应用背景中，有较好的实用前景。

想象运动是脑机接口中常用的另一个主要范式类型，但如何进行有效的想象运动任务训练尚无标准化的解决方案。国内华东理工大学研究团队提出让用户想象用手书写汉字作为想象运动任务范式，取得了显著高于传统范式的分类性能。该范式针对国内用户群体特点进行范式任务设计，为脑机接口在中国的推广应用提供了很好的思路。

三、发展趋势与展望

脑机接口与神经伦理

机遇与挑战

2017年是脑机接口领域充满机遇的一年。据估算，目前美国每年有近1亿美元投入到脑机接口及其他神经工程相关领域，并且这个数字还在不断地增长。除了Neuralink、Facebook为代表的工业界关注之外，各国政府也对该技术给予了高度重视。美国、欧盟、日本以及中国的脑计划都将为脑机接口提供关键神经生理基础与关键技术方法支撑；而美国国防高级研究计划局（DARPA）发布了名为神经工程系统设计（Neural Engineering Systems Design）的新项目，提出实现一种能同时用100万个电极记录脑神经信号并可有选择地激活10万个神经元的无线脑部植入设备的目标（图5）。

图5 一种无线脑部植入设备的概念图

脑机接口领域同样还面临着许多挑战。2017年10月，《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了IEEE Brain Initiative Special Issue on BMI/BCI Systems的特刊，所配编辑评论文章中总结了脑机接口领域当前需要解决的几个重大问题，包括脑机接口系统如何在日常应用中保持性能稳定，如何设计并实现多通道、低功耗、长使用寿命的无线脑电植入设备，如何将脑机接口推向临床实践等。伴随着持续增加的人力和经费投入，脑机接口研究者们已经在为实现未来理论和技术的重大突破积极准备着。

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