探营世界人工智能大会:脑机接口有望用于治疗渐冻症、失语症等

2021-07-07 16:29:07爱云资讯

探营世界人工智能大会:脑机接口有望用于治疗渐冻症、失语症等

2021世界人工智能大会即将于7月8日-10日在上海世博中心召开。7月5日,记者来到中科院上海微系统所探访,提前领略AI科技的魅力。在这里,记者见到了由微系统所自主开发的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口”。

脑机接口是一种连接大脑与计算机或其他外部设备的通道,可在大脑与设备之间建立实时双向连接,实现信息交换。脑机接口的研究在20世纪90年代末开始起步,涉及神经生理学、计算机科学和工程学等多学科交叉技术。

传统意义上对脑机接口的研究是为了揭示并利用大脑的运作原理,创造治疗方法为失去活动能力的患者恢复行动和感觉能力。近期研究表明脑机接口的应用已经扩展了最初的目标,可以作为人的延伸,控制机器人和代替人四肢的其他外接设备。

据介绍,中科院上海微系统所开发的免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口技术,目前处于动物实验阶段,正在申请临床试验伦理,获得临床伦理审批后可用于临床重大脑疾病诊治和脑功能探索,是解决渐冻症、高位截瘫、癫痫等重大脑疾病的重要手段,也是“人机物”三元共融万物感知的核心技术。

免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统分为前端柔性深部电极器件、中端转接单元、后端脑电信号采集传输模块、生物兼容封装材料四部分。目前,该系统已应用于鼠、兔、猴等多种动物模型,并能够实现术后急性信号(术后30min内)采集和长达8个月的稳定神经信号跟踪。

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有线传输小鼠神经信号记录系统。

脑机接口研究正在快速发展,并有着广泛的临床应用前景。前段时间,两个脑机接口实验引发广泛讨论。

2021年4月9日,埃隆·马斯克创办的专门研究脑机接口的科技公司Neuralink发布了一条视频,9岁恒河猴Pager在通过“意念”玩一款名为MindPong的电脑游戏。根据视频介绍,实验原理是在Pager的大脑植入脑机接口,训练Pager学会控制摇杆玩游戏,记录它控制摇杆过程中的大脑神经信号,及对应手臂动作,以此解码Pager的大脑信号。脱离摇杆后,当Pager试图移动光标,产生的大脑信号被脑机接口系统解码,转化为光标的移动,从而实现用“意念”玩游戏。

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Pager通过脑机接口玩电脑游戏,Pager所握为食物输送管,不用于控制游戏。

2021年5月13日,《自然》杂志发布封面文章,斯坦福大学的研究者创建了一套脑机接口系统,将脑机接口与人工智能结合,帮助一位高位截瘫患者完成“书写”工作。这一“书写”过程并非用手进行,而是通过脑机接口系统,将大脑控制“手写”的神经信号解码,再将解码后的信息实时转化为字母,从而形成文本,实现了脱离肢体限制的“脑写”。

在斯坦福大学的研究项目中,研究者将两个硬质电极置入被试的大脑。参与项目的志愿者是一名因脊髓受伤而失去脖子以下几乎全部运动能力的60岁男性,研究者要求他想象自己正在书写字母,并记录下此时的大脑神经信号,将其作为素材训练AI算法,由此解码神经信号,推测被试手部运动。

以上两个实验都是采用植入式脑机接口,相比非植入式脑机接口,获取大脑神经信号噪音更少、准确性更高,参加本次世界人工智能大会的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口”也是采用这种植入式脑机接口。

中科院上海微系统与信息技术研究所副所长、研究员陶虎对界面新闻指出,这两个案例是目前全球范围内最成功的植入式脑机接口实验,从中也可以看出植入式脑机接口要投入使用所面临的难点,陶虎将其总结为“不好用”和“不能用”两点。

“不好用”体现在电极通道数量不足。他指出,脑机接口的电极可以说是大脑信号收集器,随着电极通道数增加,可同时记录和调控的神经元数目增加,对大脑信号的解析、控制、反馈能力可呈指数式增长。正常人类大脑有800亿以上的神经元,而马斯克的恒河猴实验中,其单器件也仅有约1000个通道,可以收集到的大脑神经信号非常有限,因此脑机接口迫切要解决的问题是如何增加电极通道数。

陶虎解释,“不能用”指的是植入式脑机接口在人体使用有很大限制。脑机接口的电极植入需要做较大规模的开颅手术,这意味着将患者颅骨割开,暴露出大脑,将电极植入,再把颅骨盖上,这一系列操作会带来较大创伤。因此一般只有生活受到极大阻碍的人,如斯坦福大学实验中的高位截瘫患者,才会在权衡风险和收益后接受这样的手术。

另外,他指出,斯坦福大学的实验中,植入患者大脑的是硬质电极,但硬质电极是不适合植入大脑的。因为大脑是被颅骨包裹,一般情况下,头部可以自由活动,而头部运动时,大脑会在颅骨内晃动,导致固定在颅骨上的电极切割大脑,引起脑部发炎,并且会在大脑内形成神经瘢痕,将电极包裹起来,导致电极失效。正是由于高位截瘫患者的头部无法移动,斯坦福大学的实验才得以进行

总的来说,电极通道数少、植入手术创口大、硬质电极植入会损伤大脑且电极失效,是植入式脑机接口面临的主要难点。中科院“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口”项目正是对这些难点进行了针对性的解决。

陶虎告诉界面新闻记者,针对电极通道数不够的问题,免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口改变传统的手动或半自动组装方式,改用集成电路制作电极。集成电路可以把成千上万甚至成亿个器件集成在一个芯片上,利用集成电路的方式可以大规模提高单个器件中的通道数,提高神经信号采集和调控的数据量。

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免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口使用的2640通道深度电极。

据介绍,针对硬质电极的问题,免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口使用柔性电极。柔性电极相当于大脑中有一根线,它可以跟随大脑晃动,不会产生切割现象。目前的动物实验中,脑机接口已植入8个月,动物在清醒状态下自由活动,信号状态稳定,仍在持续记录中。

Neuralink的实验中也采用柔性电极,但根据陶虎解释,Neuralink所使用的柔性电极需要用钢针辅助插入大脑,因此仍需要开颅手术,会造成较大创口。本项目使用了一种特殊方法,把柔性电极暂时固化,插入大脑后再变软,因此不需要钢针带入,只需在颅骨上开1毫米不到的小口即可完成植入,比马斯克所用技术的创口小100倍到1000倍。创口这样小的意义在于人体可以自行愈合,较之开颅手术,恢复期缩短不少。

目前,免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口技术已在小鼠、大鼠、兔、猴身上完成实验,其中猴已经是最接近人类的动物模型。

探营现场还展示了自动手术植入机器人,在植入过程中,脑机接口通过脑立体定位仪精准找出所需植入的脑区,可视化电极在脑谱图的位置,并使用自动手术机器人完成微创植入。该过程实现了10微米级别精度控制,节约80%的植入时间成本,最终植入尺度小于输液针孔口径。

探营世界人工智能大会:脑机接口有望用于治疗渐冻症、失语症等

无线传输兔子神经信号记录系统。

陶虎告诉记者,脑机接口在不久的将来会用于临床研究,主要针对渐冻症、高位截瘫,和失语症。这三个病症都属于运动感知功能受损,通过脑机接口可以恢复语言、运动能力。虽然患者不能说话,但可以用意念合成语言,并且可以选择合成哪种语言。虽然患者自己的肢体不能动,但可以用意念控制外部机械装备。

目前项目组正在尽力推进临床研究,以神经科头部医院,如华山医院、瑞金医院、中山医院等为抓手,以神经重症,如渐冻症、失语症为攻关点,进行科研临床伦理的审批工作,希望能够真正把技术用在医疗上。

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