腦機接口技術在醫療領域的應用

王子熠 趙婉婉 彭程 陳立范

摘要 腦機接口技術可以有效地幫助嚴重殘疾的病人使用神經元信號來與外部產生交互。本文主要是介紹了目前世界上腦機接口技術的本質和工作原理，其次是腦機接口在醫療方面的應用與發展趨勢，最后是腦機接口技術中普遍存在的一些問題。

關鍵詞：腦機接口;醫療領域;應用前景

腦機接口（Brain-Computer Interface）技術，是一種直接將大腦和計算機連接在一起的裝置[1]。該裝置通過獲取人類大腦中的神經活動信息和人造數字設備中的信息，來實現彼此自由的轉換。直觀地說，腦機接口可以讓我們擺脫語言，肢體動作等任何外在的東西，直接使用自己的意念（即腦神經信號）去使用各種電子設備。腦機接口技術作為從70年代開始發展起來的一門新興技術，越來越普遍地造福于肢體癱瘓等的患者，并且應用于娛樂、教育、日常生活等領域。它使腦和神經的信號檢測技術轉向消費市場，有著十分光明的前景[2]。

1 腦機接口技術的本質和工作原理

腦機接口技術的本質，是通過某些手段感受并檢測大腦中的電信號，并將其進行翻譯，從而對外部設備進行控制;或者感受外部環境，從而轉換成脈沖信號并傳輸回大腦，干涉電信號，讓其獲得相應的感官體驗。

腦機接口主要分為侵入式和非侵入式。非侵入式的腦機接口是直接采集人類頭皮的腦電。但是由于人體的頭皮與神經元之間所隔的距離相當遙遠，因此這樣所采集到的腦神經信號精準度非常低，區別程度也不足。而一種侵入式的腦機接口，就是直接與人類大腦的各個神經元發生交互。侵入式計算機接口最主要的優點之一就是其干擾范圍小，能夠精確地對該區域內部進行一定的刺激。但是該方式對于植入設備的排異性，大腦的損傷都存在不可逆的巨大風險。

2 腦機接口技術在醫療領域的應用

腦機接口具有強大的發展前景，它具備在醫療領域發展的潛力。對于那些遭受了重大事故，或者先天性缺陷的患者，腦機接口技術能夠讓他們通過意念來控制外部設施，增強與外界的交互能力。隨著現代信息科技的進步，腦機接口可以幫助人們修復腦神經，在醫療方面有著無限的前景。

1）2020年埃隆·馬斯克（Elon Musk）創立的未來派腦機接口公司Neuralink實驗有了新的進展。他們將一只獼猴取名為帕格并在帕格的大腦里安裝了Neuralink芯片。馬斯克只需將Neuralink與iPhone配對即可實現交互，就像把手機和藍牙音箱配對一樣。這個設備記錄了2000多個電極的信號，這些信號來自帕格控制手和胳膊的大腦運動皮層。這個區域的神經元，可以通過發送信號來協調手部運動。例如，有些神經元在舉起手時可能會變得活躍，而有些神經元在把手向右移動時會變得活躍。通過把這些信號輸入到解碼程序，馬斯克就能實時預測它的手部動作。馬斯克的目標是幫助殘障人士，通過生物芯片的植入讓患者使用腦神經信號與外界進行交流并操控電子設備，從而達到人腦與外界設備進行通訊。

2）2020年8月12日，淘寶造物節發布宣傳視頻，推出了一項腦機接口的新科技：意念購。顧名思義，就是通過人大腦的意念控制來實現人機交互，從而解放雙手直接下單購物。全球多所名校科學家潛心研究腦機接口技術，并聯手淘寶共同研發“意念淘寶”芯片;未來消費者在淘寶上購物，只要想一想就能完成意念購物，一場顛覆式的購物體驗。淘寶意念購的目標是打造成虛擬生活+現實生活的操作系統，不只是購物。根據芯片附帶的專利說明書，淘寶所創造的未來網購是這個樣子：首先系統會通過腦機信號的提取接口得到我們的第一視覺圖像，然后從這個圖像里面識別出來我們想要購買的那個物品。把這個物品的圖像提取出來之后，再把它放進服務器里面檢索，然后再通過腦機接口給我們反饋具體的商品信息。根據識別到的意識信息，芯片會按照我們的意圖向服務器發送下單或者取消的指令，而這只是最基礎的環節。通過腦機接口，芯片還可以結合我們看到的現實對商品進行高度的模擬，一個虛幻的世界就此產生。在挑選商品的過程中，我們還可以隨時把其中的信息發送給另外一個用戶的腦機接口，然后得到反饋。雖然這種描述看起來很繁瑣，但是這個過程不需要任何外在的動作。這些復雜的環節都可以在我們的腦海里瞬間完成。

隨著科技的發展，腦機交互設備的體型越變越小。交互設備未來的發展方向很大程度上是使用生物材料，比如神經細胞作為外殼包裹住芯片，或者把芯片放入培養皿，用生物的方式從中培養一塊設備出來。這種微型化的腦機交互設備讓使用者徹底擺脫了場地和活動的限制。

3 腦機接口技術面臨的主要問題

隨著神經科學對人腦信息編碼和加工機制的深入揭示以及腦機接口技術的日益革新，腦機接口的范圍和精度得到了快速擴大和提升，應用場景也越來越廣泛。但是這項技術也面臨著一些問題：

1）技術問題。目前人類對于腦神經的研究速度是小于腦機接口的研究速度的，按照目前的發展技術，無論是侵入式和非侵入式，都很難進行大規模的應用。作為一個交互過程，腦機接口在讀懂腦信號的基礎上還要進行干預和治療，在這之中涉及到的神經解碼和編碼機制等問題一直處于初級階段，還需要突破。

2）商業化問題。即使腦機接口技術對于醫療起到了相當大的作用，但其造價仍十分昂貴，如何實現平民化和大眾化仍是一個巨大的挑戰，并且有很大風險。如侵入式的腦機接口就是在大腦皮層植入電極，危險性和植入難度較大，對人體可能會造成意想不到的傷害等原因而導致無法擴大市場。

3）倫理問題。歸根結底，侵入式腦機接口仍是十分不人道的行為，如何說服人們接受腦機接口也是一個不小的挑戰。其主要倫理問題包括風險，風險受益比，知情同意，隱私保護，自主性及其責任、社會公平和公正[3]。

4）人才儲備問題。腦機接口技術在科學界仍然屬于前沿科技，這樣必然需要大量的科學人才，而如何解決科學人才的需求也是腦機接口在我國發展所面臨的巨大挑戰。

4 結論

本文簡要介紹了腦機接口的基本特性，腦機接口在醫學和工程領域的應用前景，腦機接口的實現方式，腦機交互設備材料的發展趨勢，腦機芯片的實例和腦機接口所面臨的問題[4]。目前對于人腦的開發人類尚處初級階段，腦機接口也有很大的發展空間。隨著現代社會以及科學和信息技術的發展和進步，未來腦機接口在醫療領域擁有巨大的發展潛能。

參考文獻

[1]楊俊宇. 基于SSVEP的腦機接口系統研究與設計[D].南京郵電大學，2015.

[2]顧凡及. 腦機接口技術[J]. 科學，2016，68（006）：40-44.

[3]周吉銀，劉丹.醫學領域應用腦機接口技術的倫理困境[J].中國醫學倫理學，2019，32（10）：1261-1266+1276.

[4]楊紅宇，徐鵬，陳彥. 異步腦機接口技術現狀及發展趨勢[J].中國生物醫學工程學報，2011，30（05）：774-780.

通訊作者：

陳立范（1986.9-），女，漢族，河南南陽人，博士，主要從事生物數學方面的研究。