腦機接口（Brain Computer Interface, BCI）是指在人腦與計算機或其他電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道，通過這種通道，用戶可直接通過大腦思維來表達想法或操縱設(shè)備。隨著科技的飛速發(fā)展，BCI技術(shù)已經(jīng)從科幻電影走進現(xiàn)實，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、研究進展
腦機接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是其發(fā)展的第一推動力，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，美國組建團隊開始進行腦機接口相關(guān)研究，各國團隊也相繼開展探索，實現(xiàn)了刺激范式、腦機連接等技術(shù)突破。進入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，各國紛紛開展腦機接口的戰(zhàn)略布局，侵入式BCI技術(shù)和非侵入式BCI技術(shù)都有了較大的進展，如2004年實現(xiàn)了通過侵入式腦機接口控制機械臂，2019年非侵入式解碼器將大腦信號轉(zhuǎn)化為語音信號。相關(guān)專利量、論文發(fā)表量呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，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)向娛樂游戲、汽車等多元化領(lǐng)域拓展，逐漸形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。
圖1 腦機接口醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展歷程
表1 21世紀(jì)后腦機接口的國內(nèi)外研究進展
二、應(yīng)用趨勢
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，在診療肢體運動障礙、精神疾病、慢性意識障礙等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
（一）肢體運動障礙診療
BCI技術(shù)通過直接解讀大腦信號并將其轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的控制信號，賦予患者與外界互動的新方式，在一定程度上彌補身體功能的損失，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)界進展相對較快的領(lǐng)域。輔助性BCI著重于替代或增強物理功能，通過捕捉患者的運動意圖，進而控制外部設(shè)備如假肢或外骨骼等。康復(fù)性BCI則專注于通過神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練恢復(fù)或改善患者的運動能力，利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，通過重復(fù)性刺激來強化神經(jīng)元之間的突觸連接，促進修復(fù)。
圖2 腦機接口在肢體運動障礙診療中的應(yīng)用
（二）慢性意識障礙診療
BCI技術(shù)通過捕捉和分析患者的腦電信號，有效識別和評估患者的意識水平，從而實現(xiàn)對意識障礙的診斷、評定和預(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 腦機接口在慢性意識障礙診療中的應(yīng)用
（三）精神疾病診療
基于算法學(xué)習(xí)提取的腦電信號特征，能提供遠超其他生理信號的真實、深層情感信息，從而實現(xiàn)對多種情緒的判別和分析。因此，基于腦電信號的神經(jīng)反饋訓(xùn)練、情感識別研究可用于輔助記憶力喪失、自閉癥等精神類疾病發(fā)病機制的研究和治療。目前國內(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展，但尚處實驗室研究階段。
圖4 腦機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)在信號采集、識別精度、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，對大腦工作機制和反饋刺激的研究還相對有限。人機交互界面操作復(fù)雜、訓(xùn)練周期長，針對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，技術(shù)成熟度和產(chǎn)品化仍有較長距離。
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)評價體系尚處缺位，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。
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)、計算機科學(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)與工作實踐等方面予以加強。
圖5 腦機接口技術(shù)研究與應(yīng)用中存在的問題
四、總結(jié)與展望
在多學(xué)科演化驅(qū)動下，腦機接口技術(shù)正不斷從科幻走向現(xiàn)實、從動物實驗走向人體試驗、從實驗室走向臨床和家用、從醫(yī)療領(lǐng)域走向更多領(lǐng)域。未來，腦機接口醫(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引導(dǎo)和支持。
增強醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究能力。鼓勵科研院校和企業(yè)加快腦機接口前沿技術(shù)布局與探索，持續(xù)推動基礎(chǔ)理論、前沿材料、先進算法等技術(shù)突破，不斷提升腦機接口關(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，加強產(chǎn)學(xué)研醫(yī)協(xié)同，推動樣本與數(shù)據(jù)的規(guī)范有序共享，打造應(yīng)用研究-試驗發(fā)展-概念驗證-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。加快推動腦機接口臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。出臺相關(guān)科技倫理審查標(biāo)準(zhǔn)，進一步細化、明確侵入式腦機接口倫理臨床研究審查要點。
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