脑机接口是什么? 它究竟有啥作用?

发布时间:2021-12-27 18:19    发布者:eechina
关键词: 脑机接口 , BCI
近年来,脑机接口(BCI)的概念在科技界,尤其是电子圈和医疗圈非常火爆;它已经成为当今世界的热门技术,同时也日益成为新时代科技的主要象征。那么,脑机接口是什么?它究竟有啥作用?其未来发展如何?下面就简要地回答这些问题。

脑机接口,即大脑、机器、接口,三者的结合,将大脑的信息通过适当的接口技术来读取,并操控外部设备的动作;这些外部设备可以是一个机器人,可以是虚拟键盘,可以是其他任何想要操控的东西。当前对脑机接口技术的开发已走出实验室,并进入初步应用阶段;如何让这门技术服务于社会,推动它的广泛应用,是当前研究的热点。目前,脑机接口技术已经成为了全球各国科技竞争的战略高地之一;这项技术会在人与机器之间架起桥梁,并最终做到人与人之间、人与机器之间自由传输思想、下载思维,从而创造巨大的经济乃至社会的价值。

让我们先来回顾一下脑机接口发展的简要历程。1929年德国精神病学家汉斯·贝格尔先生发表的第一篇有关脑电图的文章,开启了人类对大脑活动的研究历史;1977年,美国加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔先生通过提取视觉诱发电位,完成了通过脑电对屏幕上光标样物体的控制,这是脑机接口技术最早的实验室实现形式,也意味着该技术从科学幻想阶段进入了科学研究阶段。从上个世纪90年代开始,脑机接口技术的研究不断取得新进展和新成果;比如2014年,在巴西圣保罗世界杯开幕式上,瘫痪青年通过脑机接口踢出了当年世界杯的第一球,更是为脑机接口技术的研究与应用揭开了崭新的一页。

脑机接口技术是脑机结合的新发展方向,是实现人类与机器共生的技术;它从大脑直接提取信号,翻译成控制命令来控制计算机或者机器人等外部设备。目前的脑机接口主要分为植入式和非植入式两大类:前者为有创技术,需要把电极芯片装入大脑,或把计算机设备装在人体里,实现混合的人类和电子系统;后者为无创技术,只要贴上电极芯片并从大脑外采集信号,就能够实现对外部设备的控制。有关专家认为,这两类都各有优劣。脑机接口技术的发展可以大致分成三个阶段:第一个阶段,指Interface,也即接口(目前还在初级阶段);第二个阶段,指Interaction,也即交互;第三个阶段,指Intelligence,即脑机智能。最终,脑机接口技术将增强人类的感知和社交能力。

脑机接口技术目前主要应用于医疗康复领域,它在未来将得到进一步发展,应用领域也在不断扩大。脑机接口技术具有复杂成型、高精度、个性化等突出优势,可为创新植入医疗器械的研发制造、体外组织模型或活体组织构建提供重要的研究和工程手段。前不久,当今世界首富、美国实业家及工程师埃隆·马斯克先生表示,由他创立的脑机接口公司(Neuralink)很快就完成人类大脑植入,原则上可以修复任何大脑问题,包括提升视力和听力、恢复肢体功能、治疗老年痴呆症和渐冻症等。他还表示,脑机接口技术有可能刺激人体内释放出血清素、催产素等化学物质,发挥了神经元的作用。马斯克先生的宣布,彻底引爆了外界对于脑机接口技术的关注。

众所周知,人类大脑拥有至少1000亿个神经元;这些神经元又构成10^15个神经联接,将复杂相连的神经首尾相接,总长度超过18万公里。如此复杂的网络性让人类拥有了智慧,探究大脑却成为了全世界科学家努力抵达的“终极疆域”;随着以人工智能技术为核心的第四次技术革命深化发展,脑机接口技术已经成为美国、欧盟、日本、韩国、中国、澳大利亚等国家优先支持发展的创新型技术之一。例如,由美国佐治亚理工学院领衔的国际研究团队,最近用脑科学技术和电子技术结合在一个脑机接口系统中,用户可以通过想象一个动作,来无线控制轮椅或机械臂;该系统对用户的主要优势是柔软舒适,并且没有电线影响,具有灵活性和实用性。

脑机接口技术是多学科交叉融合的研究领域,涉及电子工程、医疗工程、人工智能、材料科学、神经科学、认知科学、生物学、心理学等众多学科,其发展得益于它门的进步。以神经科学为例,脑机接口技术正成为研究神经科学基本问题的重要途径;基于运动范式的脑机接口技术有助于阐明感觉运动控制的神经机制,进而又可以依据新的科学发现来改进脑机接口技术的设计;通过脑机接口技术可以部分重塑大脑功能,为研究大脑可塑性、学习、记忆、情绪等问题的神经机理提供帮助。脑机接口技术也为认知科学和心理学研究提供了新的实验工具和探索方法,在视觉、听觉、注意力、想象、言语、情感、行为等研究中发挥作用。

可见,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,并使我们能够更好地理解、增强、改善或恢复中枢神经系统及其与外界的交互作用,因而目前在医疗康复、航空航天、智能家居、智慧商业、军事、教育、娱乐等多个领域有着广泛应用。未来,脑机接口技术将应用到更多领域,发展前景值得我们期待;就像国际知名学者周海中先生曾经说过的那样:“在21世纪初叶,脑机结合时代即将到来;届时,人类文明的进程将会大大加快。”

文/洪涛、奥托·麦克(作者单位:美国佐治亚理工学院)

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