产业大脑 | 脑机接口技术五大应用领域分析

    近日，美国神经科技和脑机接口公司Neuralink的联合创始人埃隆·马斯克（特斯拉CEO）表示，他已经将自己的大脑上传到云端，并已经与自己的虚拟版本交谈过。这一消息在全球的科技领域引发了热议，有关脑机接口技术又一次引发社会的关注。
    脑机接口技术，又称脑机融合感知技术，是以计算机、电极、芯片等外部装置设备代替神经、肌肉等常规中介来实现大脑与外界信息交互的新型通信控制技术，是一种颠覆传统人机交互的新型技术。脑机接口技术融合了脑科学、神经科学、信息科学、材料科学、生物科学、系统科学、医学工程等多学科知识，将生物学意义上的大脑与人造的智能设备系统融为一体，以实时感知和翻译意识，实现机器与人类零距离的信息交换。在过去几十年里，脑机接口技术不断获得突破，相关研究成果向外界展示了极高的应用价值。脑机接口技术不仅在医学领域应用潜力很大，在教育、娱乐、军事、金融、智能家居等非医学领域也具有不错的应用前景。
    01
    脑机接口技术在医学领域的应用
    脑机接口技术可以直接实现大脑与外部设备的交互，开辟了非常规的大脑信息输出通路。在为运动障碍和交流障碍患提供可选的与外部世界交流的渠道方面，脑机接口已形成初步的系统用于实验室测试，在可预见的未来，将会在临床上有广泛的应用。随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类对于视觉、听觉、运动、语言等大脑功能区有了更加深入的研究，通过脑机接口设备获取这些大脑功能区的信息并进行分析，在神经、精神系统疾病的诊断、筛查、监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用空间。当前医学健康领域是脑机接口技术最大的市场应用领域。
    1．医学领域
    1．1 肢体运动障碍
    导致肢体运动障碍的疾病很多， 脑出血、 脑外伤、脑卒中等疾病都可导致患侧脑区对应的肢体控制出现障碍。脑卒中等疾病造成的运动功能障碍是最常见的功能障碍之一，运动神经元受损导致的肌萎缩侧索硬化症（渐冻症） 也可导致患者肌肉萎缩无力导致严重的运动障碍。脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗的目标是通过该技术的辅助治疗，使患者改善当前状态，提高生活质量。
    脑机接口的改善功效可用于脑外伤、脑卒中和癫痫等疾病的治疗。脑机接口的恢复功效可用于脑卒中后上下肢运动功能障碍的康复训练，通过主动康复训练促进运动皮层的神经可塑性，也可用于肌无力和脊髓损伤等疾病的恢复。脑机接口的替代功效可为肌萎缩侧索硬化症、闭锁综合征、重症肌无力或失语症等患者提供辅助性的工具以帮助其日常生活，如脑控假肢、脑控轮椅和脑机通信系统等。
    脑机接口技术在肢体运动障碍领域的应用方式主要有两种：一是辅助性脑机接口， 即通过脑机接口设备获取患者的运动意图， 实现对假肢或外骨骼等外部设备的控制；二是康复性脑机接口，由于中枢神经系统具有可塑性，经过脑机接口设备直接作用于大脑进行重复性反馈刺激，可以增强神经元突触之间的联系，在一定程度上实现修复。
    1．2 精神疾病诊疗
    有关数据显示，近几十年来精神疾病的患病率持续升高，越来越多的特定人群对于精神和心理健康的改善有着迫切的需求。以抑郁症为例，接近30％的抑郁症患者属于难治性抑郁症，传统的药物治疗、物理治疗以及认知行为治疗方法在这类患者身上的治疗效果欠佳。脑机接口技术的发展，有望大幅提高一些疑难性精神疾病（如强迫症、抑郁症、精神分裂症等）的研究和诊疗水平。脑机接口的神经调控功效基于输入式BCI和NF技术，可促进异常脑结构和功能的可塑性正向发展，从而促进康复，如用于调控强迫障碍、创伤后应激障碍、轻度认知障碍、情绪障碍和药物依赖性（如酒精、烟碱、大麻或阿片类等）等神经精神疾病。
    与其他生理信号相比，脑电信号可以提供更多深入、真实的情感信息。通过学习算法，提取脑电信号特征，能实现多种情绪（如悲伤、愤怒、恐惧、惊讶、愉悦、平静等） 的判断分析，从而用于辅助治疗抑郁症、焦虑症等精神类疾病，并研究其发病机制。在精神疾病康复治疗方面，基于脑机接口的神经反馈训练可在抑郁症、焦虑症等治疗中发挥积极作用。
    越来越多的科研机构和科技公司都在开展相关研究，例如马斯克旗下的Neuralink公司正在研究通过脑机接口技术解决精神分裂症和记忆力丧失等精神疾病。国内方面，2020年12月，上海交通大学医学院附属瑞金医院脑机接口及神经调控中心正式成立，中心的第一个临床脑机接口研究项目“难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究”同时启动，通过多模态情感脑机接口和脑深部电刺激方法治疗难治性抑郁症。
    1．3 意识与认知障碍诊疗
    因颅脑外伤、 脑卒中、 缺血缺氧性脑病等病陷入昏迷， 继而进入长期的意识障碍状态的患者，传统意义上的“植物人”状态，数量也较多。目前对这类患者还没有综合系统规范的治疗方式，如何加快意识障碍患者的功能恢复已成为亟待解决的临床问题之一。
    通过脑机接口设备获取并分析患者的脑电信号，可以掌握患者的意识状态，实现意识障碍诊断与评定、 预后判断， 甚至与意识障碍患者实现交流。具体方式是，通常采用患者自己的名字、 照片等信息，通过声音、图像、触觉等作为靶刺激，以小概率出现，其他无关刺激以高概率随机出现，脑机接口设备获取患者受到靶刺激后的脑电信号，分析患者状态， 部分患者可能对靶刺激有特异性反应， 这种“脑电交流”有助于医生判断患者是否有唤醒康复的可能，从而针对性的采取治疗措施。
    1．4 癫痫和神经发育障碍诊疗
    癫痫与皮层神经发育缺陷密切相关。癫痫领域是脑机接口系统最早应用的领域之一，其发作具有典型的电生理异常， 呈现状态性特点，癫痫的诊断中，脑电一直是临床诊断的重要标准。随着采集设备与方法等技术的突破， 对脑功能和疾病的研究越来越深入，脑机接口在癫痫领域已经产生了一些相对成熟的应用。癫痫的诊疗中，通过脑电输出和判断大脑的功能和疾病的信号，通过对颅内电极的电刺激输出“指令” ， 以诱发患者功能区的响应，通过手术切除、热凝、激光损毁等技术实现改变和治疗大脑的癫痫网络，目前已在临床成熟应用。
    02
    脑机接口技术在其他非医学领域的应用
    脑机接口技术除了在医疗健康领域的应用之外，在其他非医学领域也具有潜在的广泛应用。
    1．军事领域
    脑机接口技术在军事领域属于前瞻性研究和尝试应用，如战士可以通过佩戴脑信号采集帽对相应武器发出作战指令，达到降低人员伤亡，加强作战能力的目的，还可以监测作战人员的生理和心理状态，利用监测到的数据及时分析战士情绪、注意力、记忆力等生理心理指标，从而增强相关作战人员军事技能的表现。2020年8月，美国智库兰德公司发布了《脑机接口在美国军事应用中作用的初步评估》研究报告，认为BCI技术很可能在未来的战场上具有实际用途，如提高通信速度，增强环境态势感知能力，并允许操作员同时控制多个技术平台。
    2．教育领域
    在教育方面，脑机接口技术可以实时监测学员的大脑状态，通过分析和评估大脑状态与学业表现之间的关系，建立基于BCI 的个性化教学环境。在特殊教育领域，脑机接口技术可帮助特殊教育的学习者增强甚至重建身体缺损的感官功能，并通过操控肢体的辅助设备提高学习效率，重建与畅通整个学习反思链条，从而顺利完成各项学习任务。在教育资源匮乏的地区，应用脑机接口技术有助于缓解师资紧缺的局面。脑机接口等数字技术的适当介入，可以使学生的认知能力得到延伸，增强学习体验感，激发深入学习的兴趣。在智慧课堂教学实践中，脑机接口技术能够实时监测每一个学生的身体状态、情绪状态和思维等方面的动态变化，便于教师适时调整教学策略，并对学生进行针对性指导。当融入虚拟现实设备后，更有助于营造一个身临其境的氛围，能够使学生增强感官效果，提升具身体验，进一步提高学习效率。
    3．娱乐游戏领域
    在娱乐游戏方面，可以将脑机接口技术与虚拟现实（virtual reality，VR）技术相结合，通过佩戴在玩家头皮上的传感器采集脑信号，然后将信号传输至计算机，并由解码算法将信号转化为游戏中需要执行的指令，就可以实现用“意念”玩游戏，这不仅可以提升游戏的娱乐性，而且对于一些肢体障碍的玩家，也在很大程度上提升了游戏的友好度。脑电信号的采集是脑机接口游戏的重要环节之一，目前用于表征大脑功能状态的脑信号主要有脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）等。与其他几种脑电信号相比，基于头皮脑电的BCI（EEG－based BCI）具有无创、时间分辨率高、成本低、便携性好等特点，是目前脑机接口游戏BCI主要采用的实现方式。
    4．日常生活领域
    在日常生活方面，以智能家居为例，脑机接口技术既能通过测量和提取人脑中枢神经系统信号，实现对外部家居设备的操控，也能通过外部设备对神经系统的刺激和神经反馈，实现对中枢神经系统的调控，使得人脑与外部设备之间形成具有神经反馈调控的闭环系统，实现人机或脑机的智能融合。脑机接口扮演的是类似于“遥控器”的角色，帮助人们用“意念”控制开关灯、门、窗帘等，进一步可以控制智能家用机器人。脑机接口技术还可以与通信系统结合，并开发无人驾驶汽车。而基于脑接机口的脑－脑联网应用是更加前沿的未来潜在的研究及应用方向。
    脑机接口技术被称为“人工智能的下一步”，展现了无限可能，吸引着科学家们前赴后继，不懈攻关，也将是国际竞争的焦点。
     作者 ｜ 火石创造 刘宇
     审核 ｜ 火石创造 廖义桃 殷莉