Exploration | 脑机接口神经界面的应用进展与挑战

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论文信息

摘要

脑机接口将改变我们与环境的交互与沟通方式，这些技术能通过捕获和解码大脑发出的神经信号，实现大脑与外界设备之间的直接连接。尽管相关神经界面技术充满潜力，但它们的发展面临着信号解码和成像优化的复杂性、信号串扰、生物兼容性性和耐久性等诸多挑战。近期，闭环脑机接口在情绪调节和认知增强方面展现出巨大的应用前景，但它们在解码准确性和用户界面适应性方面仍存在限制。通过对比非侵入式与侵入式神经界面，本文探讨了这些挑战，并讨论了高分辨率记录和精准刺激的植入式接口在脑机接口人机交互的应用潜力。

引言

大脑是人体最复杂和最神秘的器官，拥有超过860亿神经元和数万亿次的连接，表现出了惊人的处理、学习和适应能力。这种能力激发了人们对脑机接口应用的浓厚兴趣，通过直接从大脑到设备和计算机的连接，解读大脑神经信息活动，实现对外部设备的直观操控，进而转变了我们与环境的互动和沟通模式。

Exploration最近发表了由上海交通大学Bio-X研究院副院长、溥渊未来技术学院脑科学与技术研究中心执行主任、心理与行为科学研究院副院长李卫东教授，上海交通大学溥渊未来技术学院刘阳教授与宾夕法尼亚州立大学许树茂和Hyunjin Lee共同撰写的关于脑机接口前瞻性文章“Neural interfaces: Bridging the brain to the world beyond healthcare” 。作者在总结现有神经界面技术的基础上，回顾了近年来自神经界面技术在人机交互，情绪解码和认知增强等领域的快速发展。文章主要包括两部分，首先是介绍不同神经界面技术相关进展和面临的问题与挑战，并探讨不同的神经界面技术在神经信号记录和刺激方面的不同应用。第二部分是不同的软件或算法在神经信号解码和成像优化方面的应用。并介绍相关算法解码或优化在人机交互，情绪解码与认知增强等方面的应用。最后，作者展望了未来脑机接口技术在智慧城市和5G物联网时代的应用前景。文章包含13个图表，相关图简介如下：

图1. 不同脑区功能划分及相关症状的潜在刺激治疗区域；神经界面相关出版物中的热门关键词。

图2. 不同神经界面技术的演变

图3. 不同神经电极界面的信号监测与调控

图4. DBS频率调控和MRI成像

图5. 神经界面用于人机交互的常见四种技术

总结与展望

神经界面已经引领我们进入一个革命性的时代，它不仅作用于传统的医疗领域，还扩展到了人机交互、物联控制、虚拟现实等多元领域的应用。侵入式神经界面（例如，使用动作电位和局部场电位的皮质内脑-机接口）提供直接的运动控制，拥有更高的准确性和精细运动控制的应用潜力。然而，它们面临着手术风险和长期生物相容性挑战，包括血管损伤、胶质细胞增生和免疫排斥。解决这些问题需要深入理解组织与外来材料之间的相互作用，并开发生物相容性界面。非侵入式界面如EEG虽然更安全、侵入伤害较低，但由于信号精度不高，它们未来的发展依赖于提高信号处理和滤波去除伪影等技术以降低噪声和增强信号精度。追求高密度神经阵列电极旨在提高记录众多神经元信号分辨率，为感觉运动应用及其他信号解码领域带来进步。然而，这些技术仍面临微型化和信号串扰的挑战。随着植入式脑机接口技术的应用发展，它们在隐私、潜在的信息交流和大脑认知增强等方面引发了重大的伦理和社会问题。缺乏这些技术发展和使用的具体标准，可能导致对敏感大脑信号的未经授权访问的风险。未来的脑机接口神经界面的应用发展应建立严格的数据获取、访问控制和加密标准，以保护用户隐私。

期刊简介

Exploration由河南大学、中国生物物理学会纳米生物学分会主办，Wiley出版集团出版发行，由梁兴杰研究员任主编，师冰洋教授任执行主编。期刊聚焦于学科交叉融合探索，跨界创新成果传播，旨在打造具有中国特色，立足国内、面向全球的顶级综合性国际学术期刊。期刊当前接受的稿件类型有：研究论文、通讯文章、综述文章、观点性文章、评论性文章等。

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