腦機(jī)接口（Brain Computer Interface, BCI）是指在人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道，通過(guò)這種通道，用戶可直接通過(guò)大腦思維來(lái)表達(dá)想法或操縱設(shè)備。隨著科技的飛速發(fā)展，BCI技術(shù)已經(jīng)從科幻電影走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，成為醫(yī)學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，為輔助癱瘓患者恢復(fù)行動(dòng)能力、治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病等提供了新的可能性。
一、研究進(jìn)展
腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是其發(fā)展的第一推動(dòng)力，目前主要經(jīng)歷了概念探索、科學(xué)論證和臨床應(yīng)用3個(gè)階段。1924年，腦電波的首次發(fā)現(xiàn)為大腦研究奠定了基礎(chǔ)。1970年，美國(guó)組建團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行腦機(jī)接口相關(guān)研究，各國(guó)團(tuán)隊(duì)也相繼開展探索，實(shí)現(xiàn)了刺激范式、腦機(jī)連接等技術(shù)突破。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科學(xué)論證的不斷完善、神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，各國(guó)紛紛開展腦機(jī)接口的戰(zhàn)略布局，侵入式BCI技術(shù)和非侵入式BCI技術(shù)都有了較大的進(jìn)展，如2004年實(shí)現(xiàn)了通過(guò)侵入式腦機(jī)接口控制機(jī)械臂，2019年非侵入式解碼器將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)。相關(guān)專利量、論文發(fā)表量呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，涌現(xiàn)了Neuralink等一批初創(chuàng)公司，概念應(yīng)用產(chǎn)品相繼推出。此外，隨著認(rèn)知/協(xié)同BCI等新范式的不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用也從臨床醫(yī)學(xué)向娛樂(lè)游戲、汽車等多元化領(lǐng)域拓展，逐漸形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。
圖1 腦機(jī)接口醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展歷程
表1 21世紀(jì)后腦機(jī)接口的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
二、應(yīng)用趨勢(shì)
經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，BCI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究逐步深化，在診療肢體運(yùn)動(dòng)障礙、精神疾病、慢性意識(shí)障礙等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
（一）肢體運(yùn)動(dòng)障礙診療
BCI技術(shù)通過(guò)直接解讀大腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的控制信號(hào)，賦予患者與外界互動(dòng)的新方式，在一定程度上彌補(bǔ)身體功能的損失，改善和提高生活質(zhì)量。
當(dāng)前的研究和應(yīng)用多為非侵入式，主要分為輔助性和康復(fù)性兩類，是業(yè)界進(jìn)展相對(duì)較快的領(lǐng)域。輔助性BCI著重于替代或增強(qiáng)物理功能，通過(guò)捕捉患者的運(yùn)動(dòng)意圖，進(jìn)而控制外部設(shè)備如假肢或外骨骼等?？祻?fù)性BCI則專注于通過(guò)神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練恢復(fù)或改善患者的運(yùn)動(dòng)能力，利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，通過(guò)重復(fù)性刺激來(lái)強(qiáng)化神經(jīng)元之間的突觸連接，促進(jìn)修復(fù)。
圖2 腦機(jī)接口在肢體運(yùn)動(dòng)障礙診療中的應(yīng)用
（二）慢性意識(shí)障礙診療
BCI技術(shù)通過(guò)捕捉和分析患者的腦電信號(hào)，有效識(shí)別和評(píng)估患者的意識(shí)水平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)意識(shí)障礙的診斷、評(píng)定和預(yù)后判斷。當(dāng)前的研究和應(yīng)用多為非侵入式，在臨床上已有用于昏迷患者促醒治療的案例。
圖3 腦機(jī)接口在慢性意識(shí)障礙診療中的應(yīng)用
（三）精神疾病診療
基于算法學(xué)習(xí)提取的腦電信號(hào)特征，能提供遠(yuǎn)超其他生理信號(hào)的真實(shí)、深層情感信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種情緒的判別和分析。因此，基于腦電信號(hào)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練、情感識(shí)別研究可用于輔助記憶力喪失、自閉癥等精神類疾病發(fā)病機(jī)制的研究和治療。目前國(guó)內(nèi)外在將侵入式BCI技術(shù)用于抑郁癥輔助診療方面取得一定研究進(jìn)展，但尚處實(shí)驗(yàn)室研究階段。
圖4 腦機(jī)接口在精神疾病診療中的應(yīng)用
三、應(yīng)用挑戰(zhàn)
技術(shù)上仍有諸多局限性。BCI系統(tǒng)在信號(hào)采集、識(shí)別精度、處理速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和自適應(yīng)性方面仍存在不足。大腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，對(duì)大腦工作機(jī)制和反饋刺激的研究還相對(duì)有限。人機(jī)交互界面操作復(fù)雜、訓(xùn)練周期長(zhǎng)，針對(duì)不同患者的定制化研究難題亟待攻克。研發(fā)成本高昂、開發(fā)周期長(zhǎng)，技術(shù)成熟度和產(chǎn)品化仍有較長(zhǎng)距離。
安全和倫理面臨挑戰(zhàn)。統(tǒng)一的BCI基礎(chǔ)理論框架和科學(xué)評(píng)價(jià)體系尚處缺位，面臨知情同意、安全性、隱私、主體性和公平性等倫理問(wèn)題。侵入式設(shè)備的高性能與創(chuàng)傷、出血、感染等腦損傷的高風(fēng)險(xiǎn)難平衡。思想被掃描、讀出和監(jiān)控的邊界尚難界定，存在隱私泄露、黑客攻擊等風(fēng)險(xiǎn)。
跨學(xué)科人才緊缺。BCI技術(shù)和產(chǎn)品需要神經(jīng)科學(xué)、生理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和材料等多學(xué)科支持與協(xié)作，跨學(xué)科交叉融合型人才短缺，亟需從學(xué)習(xí)課程設(shè)置、交叉培養(yǎng)與工作實(shí)踐等方面予以加強(qiáng)。
圖5 腦機(jī)接口技術(shù)研究與應(yīng)用中存在的問(wèn)題
四、總結(jié)與展望
在多學(xué)科演化驅(qū)動(dòng)下，腦機(jī)接口技術(shù)正不斷從科幻走向現(xiàn)實(shí)、從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)走向人體試驗(yàn)、從實(shí)驗(yàn)室走向臨床和家用、從醫(yī)療領(lǐng)域走向更多領(lǐng)域。未來(lái)，腦機(jī)接口醫(yī)學(xué)應(yīng)用有望拓展至神經(jīng)退行性疾病診療乃至日常健康管理等領(lǐng)域，但也仍需從以下維度加強(qiáng)引導(dǎo)和支持。
增強(qiáng)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究能力。鼓勵(lì)科研院校和企業(yè)加快腦機(jī)接口前沿技術(shù)布局與探索，持續(xù)推動(dòng)基礎(chǔ)理論、前沿材料、先進(jìn)算法等技術(shù)突破，不斷提升腦機(jī)接口關(guān)鍵元器件、芯片等關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品的研制水平。
持續(xù)完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)。以醫(yī)療、科研等需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研醫(yī)協(xié)同，推動(dòng)樣本與數(shù)據(jù)的規(guī)范有序共享，打造應(yīng)用研究-試驗(yàn)發(fā)展-概念驗(yàn)證-技術(shù)迭代-產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的良性循環(huán)，提升BCI技術(shù)融合賦能水平。
完善腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。加快推動(dòng)腦機(jī)接口臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。出臺(tái)相關(guān)科技倫理審查標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步細(xì)化、明確侵入式腦機(jī)接口倫理臨床研究審查要點(diǎn)。
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