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          高教視點

          腦機接口:未來生命科學和信息技術交叉融合的主戰場

          發布日期:2021-06-06 發表者:陳治國 瀏覽次數:



             “意念手寫”不再是科幻中的橋段?!蹲匀弧冯s志日前發布的一篇封面文章顯示,國外有研究團隊通過“意念書寫”腦機接口,可實現讓受試者將腦中想象的“筆跡”轉為屏幕文本,準確率超99%,而且受試者可達到每分鐘輸入90個字符的速度。一時間,關于腦機接口的討論又熱鬧起來。


             相比地球上其他生物,人最強的是大腦,肌體反而較弱。腦機接口,是大腦和外部設備之間創建的直接連接通路,它既是神經修復最有效的工具,是目前能完全解決癱瘓、中風、帕金森等患者神經功能受損的有效手段,此外它還是全面解析認識大腦的核心關鍵技術,是國際腦科學最前沿研究的重要工具。


             腦機接口的核心是充分發揮人腦的優勢,繞過人體自身器官,大腦直接與外界裝備進行高效互動。其核心挑戰在于,如何在最低限度損傷大腦和最大限度利用大腦之間達到平衡。相比非植入式腦機接口,植入式腦機接口在神經信號質量和神經調控精度等關鍵性能上有著天然的優勢,不過植入手術對大腦的創傷、植入器件長期在體的安全性等問題仍是當前的研究瓶頸。


             腦機接口將如何改變我們的生活?近的說,它能直接修復運動感知功能,幫助高位截癱、漸凍人、失明病人恢復獨立生活和交流能力,回歸社會。去年,浙江大學研究團隊已實現利用Utah陣列電極實現了高位截癱患者用意念控制機械臂完成握手、飲水、進食等動作。未來,可發展其成為超越智能手機的腦機接口智能終端,未來的人們得以通過意識操控周圍的設備,并賦予超越常人的耐力、速度、精度和效率。


             環顧世界,美國國防高級研究計劃局(DARPA)、臉書、谷歌、亞馬遜等商業巨頭都在積極布局腦機接口領域,成果不斷涌現,并已形成較高的技術壁壘。當前,中國腦機接口(尤其是植入式腦機接口)的關鍵器件和高端裝備嚴重依賴進口,國內缺乏原創性腦機接口核心技術,跟蹤居多,布局分散、缺乏系統性。近兩年,美國對腦機接口進行出口管制,系統級產品及核心器件供應受到不小影響,對中國腦科學研究、神經疾病患者治療等均產生不同程度的影響。


             中國“腦計劃”,也即“腦科學與類腦研究”作為“科技創新2030重大項目”即將全面啟動。隨著該計劃的推進,腦認知原理解析、認知障礙相關重大腦疾病發病機理與干預技術研究、類腦計算與腦機智能技術及應用、兒童青少年腦智發育研究、技術平臺建設等都將取得不小的進展。其中,腦機接口作為底層核心技術,關乎中國“腦計劃”幾乎所有關鍵內容。


             中國的腦機接口研發,面臨幾大挑戰。一是安全性和有效性難以兼得,這一問題的待解限制了腦機接口技術的大范圍運用。二是腦機接口的有效帶寬,即到底植入多少個電極足以基本涵蓋大腦重要活動或滿足特定功能需求,仍是一個未知數。三是海量神經信號的處理仍是難題。四是社會普遍關注的腦機安全與倫理風險。


             腦機接口作為人與客觀世界之間并非無懈可擊的中介,也存在被對手入侵甚至接管的風險,這在客觀上增加了人的決策的復雜性和不確定性,增加決策風險。此外,腦機接口技術的最終出口必將是應用在人身上,而腦機接口要在人上開展臨床試驗,根據國家法律法規,必須先過臨床倫理,未來的風險也尚未可知。


             不夸張地說,腦機接口是下一個生命科學和信息技術交叉融合(BTIT)的主戰場,代表了一種新興的、具有潛在破壞性的技術領域。作為一個系統工程,腦機接口包括軟硬多個組件,涉及微電子、神經科學、材料學、機器人、臨床醫學等多個學科,產學研醫交叉融合、環環相扣。


             在高端科技中,筆者認為,腦機接口是中國最有可能迎頭趕上甚至“直線超車”的領域之一。目前來看,在腦機接口核心器件的設計方面,中國完全不落后于國外,而且其加工只涉及成熟的半導體工藝,這些核心加工技術均不面臨被“卡脖子”的問題和風險。因此,對于中國來說,推進腦機接口未來的發展,主要還是加快推進資源調配等問題,各環節協同合作,研制出全鏈條自主可控的腦機接口系統,為中國“腦計劃”的全面開展和順利推進提供解決方案。


             (作者:陶虎,系中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長、研究員)


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