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脑机接口:未来生命科学和信息技术交叉融合的主战场 
发布:     发布时间:2021-06-10    阅读: 次

脑机接口:未来生命科学和信息技术交叉融合的主战场





“意念手写”不再是科幻中的桥段。《自然》杂志日前发布的一篇封面文章显示,国外有研究团队通过“意念书写”脑机接口,可实现让受试者将脑中想象的“笔迹”转为屏幕文本,准确率超99%,而且受试者可达到每分钟输入90个字符的速度。一时间,关于脑机接口的讨论又热闹起来。



  相比地球上其他生物,人最强的是大脑,肌体反而较弱。脑机接口,是大脑和外部设备之间创建的直接连接通路,它既是神经修复最有效的工具,是目前能完全解决瘫痪、中风、帕金森等患者神经功能受损的有效手段,此外它还是全面解析认识大脑的核心关键技术,是国际脑科学最前沿研究的重要工具。

  脑机接口的核心是充分发挥人脑的优势,绕过人体自身器官,大脑直接与外界装备进行高效互动。其核心挑战在于,如何在最低限度损伤大脑和最大限度利用大脑之间达到平衡。相比非植入式脑机接口,植入式脑机接口在神经信号质量和神经调控精度等关键性能上有着天然的优势,不过植入手术对大脑的创伤、植入器件长期在体的安全性等问题仍是当前的研究瓶颈。

  脑机接口将如何改变我们的生活?近的说,它能直接修复运动感知功能,帮助高位截瘫、渐冻人、失明病人恢复独立生活和交流能力,回归社会。去年,浙江大学研究团队已实现利用Utah阵列电极实现了高位截瘫患者用意念控制机械臂完成握手、饮水、进食等动作。未来,可发展其成为超越智能手机的脑机接口智能终端,未来的人们得以通过意识操控周围的设备,并赋予超越常人的耐力、速度、精度和效率。

  环顾世界,美国国防高级研究计划局(DARPA)、脸书、谷歌、亚马逊等商业巨头都在积极布局脑机接口领域,成果不断涌现,并已形成较高的技术壁垒。当前,中国脑机接口(尤其是植入式脑机接口)的关键器件和高端装备严重依赖进口,国内缺乏原创性脑机接口核心技术,跟踪居多,布局分散、缺乏系统性。近两年,美国对脑机接口进行出口管制,系统级产品及核心器件供应受到不小影响,对中国脑科学研究、神经疾病患者治疗等均产生不同程度的影响。

  中国“脑计划”,也即“脑科学与类脑研究”作为“科技创新2030重大项目”即将全面启动。随着该计划的推进,脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究、类脑计算与脑机智能技术及应用、儿童青少年脑智发育研究、技术平台建设等都将取得不小的进展。其中,脑机接口作为底层核心技术,关乎中国“脑计划”几乎所有关键内容。

  中国的脑机接口研发,面临几大挑战。一是安全性和有效性难以兼得,这一问题的待解限制了脑机接口技术的大范围运用。二是脑机接口的有效带宽,即到底植入多少个电极足以基本涵盖大脑重要活动或满足特定功能需求,仍是一个未知数。三是海量神经信号的处理仍是难题。四是社会普遍关注的脑机安全与伦理风险。

  脑机接口作为人与客观世界之间并非无懈可击的中介,也存在被对手入侵甚至接管的风险,这在客观上增加了人的决策的复杂性和不确定性,增加决策风险。此外,脑机接口技术的最终出口必将是应用在人身上,而脑机接口要在人上开展临床试验,根据国家法律法规,必须先过临床伦理,未来的风险也尚未可知。

  不夸张地说,脑机接口是下一个生命科学和信息技术交叉融合(BTIT)的主战场,代表了一种新兴的、具有潜在破坏性的技术领域。作为一个系统工程,脑机接口包括软硬多个组件,涉及微电子、神经科学、材料学、机器人、临床医学等多个学科,产学研医交叉融合、环环相扣。

  在高端科技中,笔者认为,脑机接口是中国最有可能迎头赶上甚至“直线超车”的领域之一。目前来看,在脑机接口核心器件的设计方面,中国完全不落后于国外,而且其加工只涉及成熟的半导体工艺,这些核心加工技术均不面临被“卡脖子”的问题和风险。因此,对于中国来说,推进脑机接口未来的发展,主要还是加快推进资源调配等问题,各环节协同合作,研制出全链条自主可控的脑机接口系统,为中国“脑计划”的全面开展和顺利推进提供解决方案。

(作者:陶虎,系中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长、研究员)


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