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博天下免费开户:谁在掌握脑机接口技术的“命门”?

2020-09-14 09:57:59健康界
核心提示:著名物理学家霍金生前是一位“渐冻症”患者,虽然依靠手指和眼角肌肉的微弱动作也能表达意愿,但随着脑机接口技术的发展,包括“渐冻症”在内的患有脑损伤、癫痫、瘫痪、抑郁、失眠等患者,都将大幅提升生活质量。

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  著名物理学家霍金生前是一位“渐冻症”患者,虽然依靠手指和眼角肌肉的微弱动作也能表达意愿,但随着脑机接口技术的发展,包括“渐冻症”在内的患有脑损伤、癫痫、瘫痪、抑郁、失眠等患者,都将大幅提升生活质量。

  近日,据浙江大学消息称,浙江大学联合之江实验室共同研制成功了我国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机。这台类脑计算机包含792颗浙大研制的达尔文2代类脑芯片,支持1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触,是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机。

  尽管脑机和类脑不是同一个概念,但两者都属于对人脑研究的前沿技术。而脑机接口技术重新登上热点话题,则主要源于8月29日,SpaceX、特斯拉等公司的创始人埃隆·马斯克开的一场发布会。马斯克旗下的脑机接口公司 Neuralink在脑机接口技术研发方面有了最新进展,当天Neuralink公司一共展示了三项发布,分别是脑机接口设备LINK V0.9、手术机器人和脑机接口的生物实验。

  马斯克在直播中表示,在专业医生的监督下,手术机器人可以做到开颅、取骨、植入、安装等一系列操作,并表示,Neuralink 已经在使用这款机器人植入脑机接口设备,未来希望在 1 小时内完成植入。这也掀起了脑机接口技术诞生多年来的一次全网大讨论,在“保护脑”、“医疗脑”和“创新脑”的站队之外,该技术应用也遭到了多方质疑与反对,可见,在AI技术不断进步的同时,如何武装人类自己的“大脑”仍是一项“新课题”。

  “潘多拉魔盒”?

  从定义来看,脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与计算机或其他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。它涉及领域众多,包括计算机科学、神经科学、心理认知科学、生物医学工程、数学、信号处理、临床医学、自动控制等多个领域。

  在Neuralink的发布会上,马斯克介绍了两个设备。一个是只有硬币大小,拥有1024个信道,可以置于颅骨内侧,读取脑神经活动信息,实时无线传输脑电波数据的芯片;另一个是一台可以避开血管,在颅骨上开一小孔,将芯片快速、精准地植入预定位置的外科手术机器人。

  据悉,一个典型的脑机接口系统主要包含4个组成部分:信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节。其中,信号处理部分包括预处理、特征提取、特征分类3个环节。而脑机接口的分类,则通常是根据“侵入性”被分为:非侵入式(脑外)、侵入式和半侵入式。

  “首先从学术的角度来讲,其实这两条路线目前是比较势均力敌的,在美国,如果我们从大学实验室来看,可能大概有60%左右是做侵入式的,而非侵入的达到40%左右。”BrainCo(强脑科技)创始人韩璧丞表示,“在一些学术交流会议上,两个流派的人会相互吐槽,但并不会真的认为对方的方法真的不如自己。”

  据韩璧丞统计,截至目前可能只有不到100人的样本信息,而这些人当中大部分是患有疾病的人。相反,非侵入式脑机接口路线获取信号更容易,安全。不过不管是侵入式还是非侵入式,目前脑机接口遇到的最大问题仍然是如何正确解析大脑给出的信号。在过去的5-10年中,脑机接口要做的工作其实一直就是解码。

  而对于这场提倡“侵入式”脑机接口技术的发布会,业内也呈现出不同观点:

  面对质疑,马斯克也提出了自己的创新逻辑。他认为,人类无法打败AI,唯一的出路是加入它们,加入它们的技术路径之一就是研发脑机接口技术。

  质疑声并不会影响脑机接口作为当前神经工程领域中最活跃的研究方向之一,目前,该技术在生物医学、神经康复和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力,近10年来,脑机接口技术得到了长足的进步和飞速的发展,应用领域也在逐渐扩大。

  根据第三方研究机构的测算,单纯从脑机接口设备(EEG/EMG)的维度来看,市场规模在5年内将达到25亿美元。如果从脑机接口将深度影响的数个科技领域来看,市场规模在5年内将达到数千亿美元,其中包括:ADHD脑机接口反馈治疗 460亿美元,大脑检测系统 120亿美元,教育科技 2500亿美元,游戏产业 1200亿美元。

  “站在巨人的肩膀上”

  皮质、神经元、神经元细胞体、胶质细胞、电压、血管······弄清楚这些概念之间的关系就会耗费很多精力,更别提以亿为单位的神经元与以万立方毫米为单位的皮质之间错综复杂的工作原理了。

  有媒体报道称,BCI技术工程师们如果要做到对于大脑信号进行极为精准的捕捉或反馈,就需要在这一立方毫米区域里面捕捉特定的一些神经元细胞体发出的信号,或者刺激某些特定的细胞体发出工程师需要的信号。足见其难度之高。

  正如Neralink总裁Max Hodak在当天发布会上所说,“Neuralink并不是凭空产生,在这以前的学术研究已经有了很长的历史,从很大意义上来说,我们是站在了巨人的肩膀上。”

  在中国,也有大批科学家在脑机接口方面研究过多年。例如,清华大学医学院神经工程实验室教授高上凯和高小榕带领团队已经做了20多年的脑机接口研究。且一直以医疗应用为主要动力。

  据高小榕曾经介绍,截至目前,中国已经有上百外渐冻症患者尝试使用脑机接口。2019年8月24日,清华大学医学院生物医学工程系教授高小榕说,脑机接口让人和机器实现了高速连接,未来,人类有望进入“人机共生”时代。

  2008年脑部植入芯片的猴子用意念控制机械臂。“Neuralink发布的芯片能检测到猪脑信号,这个技术其实在过去的20年里都陆续做到了。但是他们对设备进行了升级。”韩璧丞同时表示,在和哈佛一些教授就这个发布会聊天时,认为他们不是脑科学的重大突破,而是脑手术的重大突破。

  更为实际的“医疗脑”

  要知道,马斯克有着很大的野心,他甚至想让Neuralink成为普通人也愿意植入的设备。想象一下,如果我们能纠正大脑发出的信号,那么就能解决一切问题,包括记忆丧失、听力丧失、失明、瘫痪、抑郁、失眠、极度疼痛、癫痫、焦虑、上瘾、中风、脑损伤等等。

  中国脑计划就曾提出过明确的治疗方向,其巨大价值在于其在未来五到十年的持续实施,基于这个计划,我国正全力发展阿尔茨海默、帕金森、癫痫、精神分裂、抑郁症等社会负担重大的疾病的治疗。如今,这些疾病的研究已经拥有了极大的进展。

  据清华大学电子工程系副教授张沕琳称,现在脑机接口技术已经开始在帕金森、难治性癫痫等危重病患上使用。而相关媒体报道称,“保护脑”主要是更好地诊断和治疗各类重大脑疾病,包括阿尔茨海默症、癫痫、帕金森、抑郁症等疾病,在神经系统疾病这条赛道上,将有机会诞生千亿独角兽。

  “创造脑”主要实现类脑人工智能的研究与开发,核心战略目标是开发仿脑计算机,将由两部分组成:一是发展脑型器件和结构;二是脑型信息产生和处理系统的设计和开发。

  坚持“医疗脑”进行突破,侧重于疾病诊疗,深积疾病数据库,或许是一条更为实际的路。尤其是在神经疾病、精神疾病、康复等领域。

  加州大学旧金山分校(UCSF)的一支研究团队,已经在瘫痪患者身上演示了首个“即插即用”的“大脑义体”。借助机器来解码大脑的电信号,为未来的医学功能修复打开了更多的可能 —— 比如改善阿尔茨海默病的筛查、对内部器官的监测、以及让瘫痪患者重新获得对义肢的控制能力。

  在中国,科学家们正在不懈努力,尝试用脑机接口治疗癫痫、帕金森、抑郁症等困扰人类已久的疾病,并帮助患者进行术后康复。

  “在癫痫的脑机接口的前沿诊疗中,我们会先借助’立体定向脑电图’等方法找出大脑中引发癫痫的部位,并借此采集致病部位信号,分析和解决脑机接口的链接问题。”301医院功能神经外科神经电生理室主任徐欣说。她介绍,目前有三种较为成熟的脑机接口诊疗方法,分别是经颅电刺激、迷走神经电刺激和脑深部电刺激。三种方法都是通过释放电流来抑制癫痫发作,但电极的放置位置和工作方式有区别。

  与301医院的实践类似,上海交通大学计算机科学与工程系教授吕宝粮团队,探索的是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。他介绍,脑卒中患者的术后康复训练,也是目前脑机接口应用的主流方向之一。

  传统的康复训练需要通过专业医师带领患者完成。而通过脑机接口,患者可以实现“意念控制”:脑机接口采集患者的脑电信号、识别其运动意图,进而控制机器人辅助患者进行康复训练。

  为了开发由大脑控制的设备以及认知障碍治疗和中风后康复的方法,神经生物学家需要了解大脑如何编码信息。其中一个关键方面是研究人们在观看视频时感知视觉信息的大脑活动。

  BCI技术除了可以帮助患者和用户实现“强化”大脑和“恢复”大脑的作用,还有“保健”方向,也就是冥想减压,有创业公司推出脑波检测头环,帮助用户通过实时音频反馈来提升冥想效果。其实,在北美,冥想的市场是非常大的,这是一个绝对可以挖掘的细分市场。

  试图赶超的“中国大牛”

  目前,在全国Top10最受关注脑机接口公司中,有7家来自美国,另外3家分别来自瑞士、加拿大、奥地利。值得注意的是,排名第六的BrainCo公司创始人韩璧丞于2017年回国成立了北京强脑科技有限公司,并在北京和深圳组建了脑机接口的研发和销售团队。

  我国脑机接口相关技术的进展最早可追溯至 2014 年,博天下免费开户:由天津大学和天津市人民医院共同研发出来的名为“神工一号”的人工神经机器人系统,这在当时是全球首台纯意念控制系统,适用于全肢体中风患者康复使用,其通过脑机去读取患者的意念,驱动多级神经肌肉电刺激技术,刺激瘫痪肢体产生对应动作,引起肌肉产生主动收缩,带动骨骼和关节产生自主动作,可加快康复过程。

  今年 1 月,浙大求是高等研究院“脑机接口”团队宣布,与浙大二院合作完成了国内首例植入式脑机接口临床转化研究。该实验首次证明了高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。

  除了强脑科技、时识科技、妞诺科技加入了研发脑机接口技术应用的队列外,还有博睿康、臻泰智能等企业,也都开始在这个领域布局。国内各大高校的研究情况则各有偏重。例如,清华重设备,底层设备的开发是他们的优势,而浙大偏重算法,中科院偏向自动化,又是另外一个方向。

  而A股市场中,目前布局最为明确的是科大讯飞,当然还有复旦复华。除此之外,脑科学概念股比如国内脑膜龙头冠昊生物、为欧盟人脑工程提供脑外营养项目支援的阳普医疗、心脑血管药品供应商华海药业,以及新智认知、乐普医疗、航天长峰、西藏药业等脑科学相关概念股均有望受益。

  目前,脑机接口仍处于“萌芽”阶段,根据市场调查机构Yole发布的研究报告,2017年的市场规模仅有1.18亿美元,2017~2023年市场规模复合增长率预计可达到19%。然而,广义的脑机接口市场规模将超过千亿美元,覆盖医疗、教育、娱乐、家居等领域。

  未来或可期

  根据统计数据显示,以目前BCI技术以平均7.4年才能使可同时记录的神经元数量翻倍的速度计算,要达到同时记录100万个神经元需要等到2100年,而要记录人脑中的所有神经元,则要等到2225年。

  在医疗领域中,作为迄今为止最成功的脑机接口,人工耳蜗已在临床普遍应用。脑机接口市场想象空间巨大,除了其自身商业价值及广泛应用场景外,它还或许将颠覆现有的人机交互模式,成为新一代主流操作系统(OS)。

  总结来说,脑机接口作为一种全新的控制和交流方式,还可以应用到更广阔的脑机融合领域,就是所谓的硅基生物和碳基生物的融合,打造超强人类,让人脑进一步自然延伸。

  美国、欧盟、日本和中国都提出过脑科学计划,而美国政府层面对于脑科学研究推动得较早,并且投入相对较大。而中国则起步较晚,投入也相对较少。

  中国的“脑科学和类脑研究”已被列入“十三五”规划纲要中的国家重大科技创新和工程项目。目标是在未来15年内,在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能器件三个前沿领域取得国际领先的成果。经粗略估算,我国对该领域的主要经费投入,从2010年的每年约3.48亿,增长到2013年的每年近5亿元人民币。

  近日,美国兰德公司发布的一份名为《脑机接口:美国军事应用和意义的初步评估》的研究报告中提到,“脑机接口”很可能在改进未来作战中的人机协作方面提供相应的支持,然而,运用该技术时仍需采取预防措施,并减少开发和运用“脑机接口”技术中潜在的伦理和法律风险。

  虽然Neuralink在未来最有可能的应用仅只是帮助高位截瘫病人恢复部分行动能力,但它引发的讨论已经远远超出了它最初的发布会本身。

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