科技有狠活|介入式脑机接口:将一簇“细绳”导入脑血管 实现意念控制

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封面新闻 2023-05-12 23:45 212974

封面新闻记者 谭羽清 部分图片由受访者提供

近期,全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功,实验人员在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂的技术飞跃。

试验猴借助脑机接口用意念控制机械臂取食

和去年马斯克引起轰动,令大批试验猴“为科学献身”的侵入式脑机接口试验不同,在此介入式脑机接口试验中,并不需要打开试验猴的脑壳,只需通过在猴脑血管内导入一段带有传感器的“细绳”,就能实现猴脑与机械臂的连接。

“猴子在试验前后的身体状况都很好,脑电传感器目前也留在猴脑血管内没有取出,我们将对其做长时间的观察,为下一步的工作做准备。”5月11日,封面新闻专访试验牵头团队负责人、南开大学教授段峰,了解到本次试验的成功标志着我国脑机接口技术跻身国际领先行列,对推动脑科学领域的研究发展具有重要意义。

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介入式传感器:平衡脑机接口设备的安全性和有效性

段峰在采访中告诉记者,在本次介入式脑机接口试验中,他们仅用了不到2小时,就将形似一簇金属细绳的脑电传感器通过颈静脉导入了猴脑血管,并顺利安置在了猴脑的初级运动皮层区。介入手术完成后,试验设备成功采集、识别、转化了试验猴取食的脑电信号,让机械臂受实验猴意识控制运动。

介入式脑机接口传感器

据悉,脑机接口是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与人脑利用脑电传感器和外围电子设备之间建立的、不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术。

从技术角度来看,目前的脑机接口大致分为侵入式、非侵入式和介入式三大类。

侵入式脑机接口需要通过开颅手术或者钻透颅骨将脑电传感器植入脑内采集信息,可能会导致安装者大脑的长期炎症,危及生命,例如在马斯克Neuralink公司的侵入式脑机接口项目中,已有多只试验猴死亡。

各类脑机接口示意图(不含介入式)

非侵入式脑机接口的脑电传感器则为脑电帽这样仅接触头皮的穿戴式设备,虽然对身体没有伤害,但是易受大脑容积导体效应的影响,信号传递至头皮表面时衰减较大,易被噪声污染,因此识别准确率和实时性受限,精确度略低。

而介入式脑机接口的实现方式介于侵入式和非侵入式之间,可以通过微创手术将介入脑电传感器贴附在猴脑血管壁上,采集颅内相应脑区的信号。这种方式不会像侵入式脑机接口那样创伤安装者的颅骨,但接收到的脑电信号质量高于非侵入式脑机接口。

02

受取栓支架启发

研发介入式脑机接口

“去年,羊在试验后的半年多时间里生活的都很正常,最后电极(传感器)和血管融为一体,没出现大的排异反应,所以我们才敢开展非人灵长类猴的试验。”段峰表示,本次试验的成功是基于2022年在羊身上完成的介入式脑机接口动物试验,那次试验验证了介入式脑电传感器的有效性和安全性。

但不同于本次“从羊到猴”的快速进展,在进行羊的介入式脑机接口试验前,段峰团队经历了多年的研究与准备。

曾经,团队也做过非侵入式和侵入式脑机接口的相关试验,包括用穿戴式脑电传感设备控制汽车,将老鼠安装上侵入脑机接口装置控制其运动方向。但因为这两种脑机接口方式有难以改善的技术缺陷,效果都不理想,“以现在的技术,很难通过这两种方式将人和传感器完全融合到一起,又保证安全有效。”

如何能直接收到颅内信号保证脑电信息的有效,又不伤害颅骨呢?这个问题困扰着段峰团队,直到一种脑卒中的治疗工具给了他们灵感。

取栓支架示意图(图片源自网络)

在脑卒中治疗领域,医生在抢救缺血性脑卒中病人时,常常会使用取栓支架将患者脑内的血栓取出,以使患者脑血管再度血流通畅,大脑不再缺血。这种介入式取栓手术已经历过多年发展,具有很高的安全性,为了让医生操纵取栓支架在患者脑血管内“游走”时能确定其位置,取栓支架的金属丝上会安置有十数个显影点。

“如果我们把显影点换成脑电信号的采样电极点,那不就能在颅内采集到信号了吗?”受此启发的段峰团队很快就开始了参考取栓支架相关技术,研发介入式脑机接口设备的工作。

03

或将率先应用于医疗领域 

为渐冻症、抑郁症、癫痫等患者服务

据段峰介绍,相比于去年用于羊脑的脑机接口装置,本次试验的装置在硬件和软件方面都做了优化调整,包括信号降噪、信号识别、信号转化、传感器尺寸等。而本次试验证明该装置能正确识别猴脑内的运动信号,并辅助猴用脑电控制机械臂,实现了介入式脑电信号从被动采集到主动控制的技术飞跃,为介入式脑机接口研究工作的开展奠定了基础。

目前,脑电传感器仍留在猴脑内,研究人员将继续全方位监测试验猴的各项生理指标,观察传感器在非人灵长类动物体内长期放置的安全性、有效性。同时,他们还会继续优化传感器各方面的设计,推动项目尽早进入人体试验阶段,为落地应用做准备。

“未来最早的应用领域肯定是医疗。”段峰表示介入式脑机接口在医疗领域应用前景广阔,一方面,可以辅助脑卒中、渐冻症这类行动不便的患者通过大脑运动皮层的脑电信号控制外围设备,提升生活质量;一方面,还可能通过实时监测携带者的情绪信号,及时缓释储存于传感器支架上的药物,帮助抑郁症、躁郁症等精神疾病患者控制不定时发作的冲动情绪。

此外,随着介入式脑机接口技术的成熟,它辅助治疗的疾病还可能延伸至癫痫领域,“目前癫痫的DBS(脑深部电刺激术)治疗法需要通过颅骨穿刺手术将放电装置植入到病灶区,如果介入式脑机接口传感器能反向导入对应的脑区,通过缓释药物、电刺激、光刺激的方式缓解症状,这种无需开颅的治疗方式对患者来说会更加安全。”

评论 12

  • 二郎山 2024-02-01 发表于四川

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  • 嘉州援彝胡敏洪 2023-08-02 发表于四川

    介入式传感器!

  • 不要哭让萤火虫带着你逃跑 2023-05-20 发表于四川

    持续关注

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