脑*机接口研究新进展（论文）

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国外医学生物医学工程分册!""#年$%月第!&卷第#期
脑*机接口研究新进展
王敏苏学成
-摘要.先进的科学与技术使创造脑*机接口的设想成为可能’它是一种尤其适合瘫痪病人与外界联系的方法’综述了两种来自大脑皮层信号的脑*计算机接口%B3.(1S-)*DE:+3(1:+3F.-+$’GH&的研究进展’其一为神经信号来自皮层外部$称为间接’GH$已经用于人体实验’其二为神经信号来自皮层内部$称为直接’GH$尚处于动物实验阶段’
-关键词.脑,计算机,接口,瘫痪

自!%世纪&%年代以来一些研究人员将某些易进入’按照信号来源$大体上’GH分为两类!一类仪器连接到灵长类和其他动物的神经系统$用来记是来自皮层外部信号的无创间接’GH,另一类是来录他们的电活动以推断其功能或电刺激来改变其自皮层内部信号的有创直接’GH’功能’这种仪器对于恢复因脊髓损伤(肌肉退行变(! 无创间接"#$ 中风或其他神经系统损伤有关的神经功能有着潜在价值’这类研究称为)脑*机接口+%B3.(1C-)*C间接’GH的基础是用标准的脑电图%00J#经电DE:+3(1:+3F.-+7$’GH&或)脑*机械接口+%B3.(1C*.C极非侵入性记录脑活动’脑电图能够经固定于头皮-I(1+(1:+3F.-+$’5H&()神经弥补术+%1+E3./D3)7:I+:C的电极测量神经元放电的信号$脑内几十亿神经元(-7&()神经机器人+%1+E3)3)B):(-7&$其主要目的是不断地进行离子交换产生微电流$将获得的这些信获得来自大脑皮层的命令信号$然后将这些命令作号用计算机平均和分辨$以作为编码工具’神经编为新的功能输出以控制身体丧失能力的部分或仪码进行数字化后反过来控制病人的思维活动$病人器$如计算机或自动机械臂$以解决瘫痪者的运动可以选择文字或拼写$操纵指针或指挥简单的机器问题$使其能与外界联系’人’德国心理学家’(3B.E*+3$是首先发现人能控制
由于适宜生理神经接口的缺乏(大量数据加工一定脑电波的学者之一’他集中研究皮层慢波电上技术的限制$转换复杂神经信号为有用命令的分压!即在几秒内自大脑皮层自行发射的电压变化’辨能力差和执行的数学计算工具的不足$寻找呈现利用这种电压’(3B.E*+3等K$L 开始创造了特殊的拼皮层活动的连接一直受到阻碍’目前研究围绕运动*瘫痪病人学着用正相和负相慢波控制两
写器**和感觉的大脑皮层$因为这些部位比其他部位更容组文字的选择$选中后经过一个排除过程后$显示要保留的文字(词句和符号等$依此来与外界进行
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审校者!林家瑞A?%%@A武汉$华中科技大学生物医学工程研
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作者单位!!#%%?$济南$山东科技大学信息与电气工程学院生天$I的培训$!个使用呼吸机的肌萎缩性侧索硬物医学系



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更进一步的设备!!
!思维转换仪器用于#个严重>?6患者"每周训练@次"经&AB!,不等的练习"他们均可以经可视的反馈仪器转达自己的意图#C)/D.E重点研究以00F节律在&GH!IJ的!波和HKG!@IJ的!波为基础的仪器"!和!均发自大脑感觉运动皮层#C)/D.E等L#M 制造的装置是患者用升高和降低放大!波$!波来控制计算机荧光屏指针的上下#通过训练患者想象移动手或身体其他部分完成移动指针LBM#’(3N.O*+3和C)/D.E的这一技术需要数周到数月的时间培训患者如何控制他们的脑电波"而P)1-Q2(1等的’RS控制脑电波技术几乎不需要培训#TB""是在人脑遇到惊讶或突发事件时波峰持续B""*7的脑电波#P)1-Q(1等L@M 是以TB""波为基础设计的’RS是包含字母并能向前和向后打印的栅格"随机地按行和列在荧光屏闪烁"当人看到选中的字母在栅格的某一位置闪烁时"可以指出%是这个&"然后计算机通过寻找产生电波的位点辨认字母表达的意思#
上述几种技术的最大缺陷是相容性差"使其相互难以结合并延缓了他们的发展#如C)/D.E等发现操作’RS时的错误出现在00F信号"用计算机容易的修改"但是对于’RS来讲则意味着大范围的重新编程#因此C)/D.E等L#M 组合建立了’RS!""""作为灵活多用的’RS平台"可以选择多个不同脑电波和容易建立新的应用软件"广泛的共性使其易于接纳新者并进入新领域#最终他们希望护士和家庭护理用计算机进行最小程度的训练"去掉仅由少数专家能控制的’RS软件#’RS!"""基础框架已经完成LKM"它有@个模块来处理’RS的@个基本功能’"原始脑信号"放大和数字编码(#提取想要的脑信号"如!波或TB""信号并转化为命令"如在一定方向移动指针($控制仪器"即互联网搜索或操作义肢(%用者熟练开动和停止’RS"可以调整操作的速度#目前"’RS!"""软件已经对该领域产生了影响#P)1-Q(1为他的’RS升级后改善了相容性"实验由正常人转向病人#P)1-Q(1在他的第一个病人)P)1-Q(1的父亲*身上实验取得较满意的效果#5))3+LUM 用’RS!"""制造了环境控制系统"使用者可通过脑电波开闭电灯$电视和广播#他们还建立了一套词语选择系统!!
!有一系列名词$动词和实物组成的联系系统"用来表示词语甚至对话"提供了有力的较传统的拼写法更快的联系方法



#5))3+计划最终将仪器


够被脑电波控制#




虽然目前间接’5S为瘫痪病人提供新的主要功能输出通道"但仍有许多缺陷#以00F为基础的’RS采集的不是脑的实际信息"这些仪器收集的是千万个神经元通过颅骨后的混合结果"尤其对于麻烦的连接和正常活动而言"十分缓慢#多电极00F系统连接需要HQ"而每分钟仅能作出很少的几个选择#虽然00F频率变化能在某种程度上提供时事计算机指示控制"信号输出通常是依赖于重复的模式#系统呈现信号的迟钝"用者需要较长时间)通常是几秒*去修正信号#由于携带信息的脑原始峰电位穿过头皮时被平均化和滤过"这类’5S不能获得直接的运动意向#所以用于间接’5S的00F信号是编码实际运动神经信号的替代#因此"用者必须学会有意向的运动和’5S命令之间是如何联系的"由于这种信号与注意力相关"’5S的应用还会干扰其他运动"其控制性还会因错误的选择而降低#
!有创直接"#$
直接’RS是脑内记录仪器#直接’RS植入电极至脑采集神经元信号"这类信号由脑实际的运动和思维信号组成"是许多个体神经元活动尤其是编码运动或运动意向神经元活动电压#但它要求更严格的神经接口"更复杂的信号处理$更精深的数学计算将神经活动编码转化为命令信号#其中最有挑战性的是获取个体神经元的活动电压"因为微电极需要基本接近信号源#为获得成功的信号"电极必须长期保持稳定"不间断地数学计算必须能鉴别不同的神经元#近年来"几种技术已达到连续几个月记录十到百个神经元的水平#多行多列细导线的集合"称为%列阵电极&"已经连续多年用于长期皮层记录#这些已经证明对研究皮层活动是非常有用的实验工具#更先进的多列阵电极系统也在发展之中"有望能成为可靠的人类医学器械L&"VM#
大多数的直接’RS仍处于动物实验阶段#RQ.D(1领导的实验室主要研究动物清醒状态下大量神经元共同活动时脑电信号和应用技术#用这些技术来跟踪大量神经元信号编码"对阐明脑功能问题是十分有用的#这类工作还促进了’RS智能机器的发展"自!%世纪V%年代中期开始"RQ.D(1等LH%"HHM 设计了一特殊的%神经!机械臂&装置)如图H所示*"鼠用前肢按压装置上的机械臂可以喝到落下的水果

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的神经元电极记录该过程鼠的脑电活动%将神经元活动信号进行一系列放大&除噪和数学转换后$可有效地预测机械臂运动的时间和高度O$!P%下一步将神经元活动转换为控制机械臂实时电信号$打开’神经(机械臂)模型$F只鼠中的G只能用来自脑的信号开启机械臂而获得水果汁$而不用真正按压机械臂%脑电信号对神经(机械臂的控制提出了恢复瘫痪病人运动的可能性%
=(-)/+/(7 等Q$NP 和>.3*+1.等Q$GP 植入电极至!只短尾猴脑内$教会猴用手操纵控制杆&移动指针&伸手抓水果放至嘴中%他们发现能从$%%个神经元活动几毫秒后预测猴手的位置$转换这些神经元活动至机械臂$机械臂顺从地模仿猴手运动%在视觉帮助下猴明显地能用思维操纵指针$而最终停止用手操作%这种系统有一定限制性$为产生正确的脑信号猴必须移动肢体$麻痹患者做不到这些%另外$猴不知道自己的脑信号在控制机械臂$因此他不会学着去校正机械臂的运动!如图!所示"%

K.L/)3 等Q$#P 将!只恒河猴手活动限制在一定范围后$使其做规定的或计算机虚拟的动作$同时同步记录脑电信号%虚拟的三维环境是将指针由中心移向放射状排列的&个虚拟立方体内的目标$猴不能看到它们手的实际运动$看到的是实际手!称手控制"或计算机控制!称脑控制"下的静止’目标)和运动’指针)%经!到N周练习$其中一只猴几乎每次均能在脑控制下正确的击中靶目标%研究者们将有关FG个神经元的明显改变与改善的技能联系后$指出练习脑波的过程是改变脑细胞的反应Q$FP$他

们强调这种条件下视觉反馈起十分重要的作用!如图N所示"%
B+11+,L 等Q$EP 是将微电极植入人脑的’>R研究团体%他们最成功的患者是被称为首例人类半机械人S.LA$他患有严重中风$几乎完全瘫痪%将玻璃微电极植入S.L脑内特定部位的神经元$神经元活动可被固定的电极作稳定的记录$经连接电极导线对脑电活动进行一系列加工处理$使其在体外控制一定的器械装置%经一定培训的S.L可用思考产生的神经信号操纵指针&拼写和击中图标以表达意图%S.L去世前曾用了G年的’>R%目前B+11+,L等的设计是植入!个电极至患者脑内$计划向着&个努力%其他研究团队正在研究一次采集几十至几百神经细胞的设备%
" 结语
理想的’>R应能够提供恢复瘫痪身体部位自然运动控制信号$而不需伴随大量学习与训练%控制应是按随意运动意图进行的$而且能传递有用的感觉信号$这些信号能自然地被接受$同时无正常神经系统的感觉信号以外的干扰*仪器应是非介入