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|恢复沟通、重塑触觉、双向接口，脑机接口爆发可期( 三 )


在该研究成果中 ， 研究人员将计算机光标的连续跟踪提高了500%以上 ， 解决了机械臂跟随光标的流畅度问题 ， 同时结合在线无创神经成像 ， 将脑机接口的控制水平提升了近10% 。
研究人员将该技术应用于现实任务中 ， 发现从控制不受约束的虚拟光标运动到控制机械臂运动 ， 该技术几乎可以做到完美过渡 。 这种高质量的神经解码能力与非侵入式机械臂控制的实际应用相结合 ， 将对利用非侵入式脑机接口开发和实现神经机器人技术产生重大影响 。
目前这项技术已经在68名健康受试者身上进行了测试 ， 该团队还将对患者进行临床试验 。 这项研究代表了无创脑机接口技术发展的重要一步 ， 有望成为如智能手机一样帮助每个人的辅助技术 。 该研究成果发表在《Science Robotics》上 。
◆ ◆ ◆关键技术进展：新硬件、新算法、新范式、新应用
1、新硬件
脑机接口的硬件主要涉及电极和信号采集系统 。 对于侵入式脑机接口而言 ， 需要具有生物相容性、安全性和长期植入的材料特性的电极；
而非侵入式脑机接口则倾向于舒适、便携的信号获取方式 。
脑机接口硬件的创新将极大地推动脑机接口技术的实用化、产品化 。
2019年7月 ， Elon Musk的Neuralink公司发布了一款可扩展的高带宽脑机接口系统 。 该系统包含小而灵活的电极“线”阵列 ， 每个阵列多达96根线 ， 每根线带有32个电极 ， 共分布了多达3072个电极 。 该系统还包含一个神经外科手术机器人 ， 该机器人每分钟可以插入六根线（即192个电极） 。 每根线可以以微米级的精度单独插入特定大脑靶区中 ， 以避免表面血管 。
电极阵列被封装在一个小的可植入设备中 ， 该设备包含用于低功耗板上放大和数字化的定制芯片 ， 3072个通道封装所占面积小于23 mm×18.5 mm×2 mm（图6） 。 一根USB-C电缆可提供设备的全带宽数据流传输 ， 并同时记录记录所有通道的数据 。
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本文插图

图6 植入大鼠的传感器设置
相较于传统的实验室中所设计的样机往往较为简陋 ， 未实现工程上的充分优化 ， Neuralink提出的这一套高度集成化、自动化的脑机接口系统展示了工业界的关注对脑机接口实用化进程的重大意义 。
日本熊本大学和山口大学的研究团队将近红外光谱、皮层脑电和负温度系数热敏电阻传感器的多通道测量功能集成到单个设备中 。
该设备使用柔性印刷电路技术和半导体微制造技术进行制造和组装 ， 以实现与硬膜下植入兼容的传感器组件的高密度集成 ， 并且具有类似于神经外科手术中硬膜下条状电极的紧凑外形 ， 可以提供有关大脑皮层活动各个方面的有益信息 ， 并被证明是术前、术中和术后诊断的有力医学手段 。
除了上述提及的有创脑信号获取方法外 ， 在无创脑信号获取硬件方法也取得了进展 。
英国诺丁汉大学及合作研究团队开发了一种基于自行车头盔改造且完全符合生命周期的可穿戴脑磁系统 ， 该系统能够为所有年龄段的受试者提供高保真数据 ， 且无需限制受试者的活动（图7） 。
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本文插图

图7 装在经过改装的自行车头盔中的光泵磁力仪测量脑磁信号
因此可以使用单一系统测量儿童、青少年和成人在外部环境中大脑如何做出反应并适应自然事件的能力 ， 有望提供有关早期生命中枢神经系统功能发育的机制性见解 。
这项工作揭示了一种功能成像的新方法 ， 为研究健康和疾病中的神经发育提供一个强大的平台 。
实现舒适、便携的信号获取方式是推广非侵入式脑机接口系统的重要前提 。
佐治亚理工学院及合作研究团队报道了一个完全便携式、无线、灵活的头皮电子系统 ， 其中包括一组干电极和一个柔性膜电路（图8） 。 利用卷积神经网络进行时域分析可对稳态视觉诱发电位进行准确、实时地分类 。


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