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脑机接口——梦想之光照进现实生活

《自然》主刊近期发表的“自然聚焦-中国脑科学”栏目系列:“脑机接口—梦想之光照进现实生活(Mind over matter to transform lives)”。“自然聚焦”(Nature Spotlights)围绕科学学科和地理区域等特定主题,向全球科研工作者、高科技产业从业者展示相关领域的最新科研成果与动态,“聚焦中国脑科学”专题系列介绍了正在蓬勃发展的中国脑科学领域的研究机构现状、研究成果以及产业化情况。
 
 
 
脑机接口——梦想之光照进现实生活
Mind Over Matter to Transform Lives
 
一个来自中国天津从事脑机接口领域研究的代表性团队,结合典型的实际应用,正开启医学领域脑启发研究的无限可能。
 
2016年中国启动天宫二号太空实验室时,其众多目标之一就是测试无创脑-机接口(BCI)技术对太空环境的适应性。中国宇航员成功地完成了这项全球首次试验,为比较脑-机接口在地球和太空中的性能提供了重要基准。而这项试验中所使用的脑-机接口系统是由天津脑科学与类脑研究中心(简称:天津脑科学中心)的神经工程团队开发的。 
 
国际首次在轨脑机交互实验(图片@央视网-CCTV4)
 
天津脑科学中心依托天津大学医学工程与转化医学研究院及附属环湖医院建设,聚焦于脑科学与认识科学、神经工程与生机交互、类脑智能理论与医学应用等研究领域,特别是在无创脑-机接口方向已经产出一系列创新成果,加速推动该技术在医学临床、航空航天和日常生活领域的成果转化和产业应用。
 
天津大学医学工程与转化医学研究院
 
天津大学环湖医院(天津市环湖医院)
 
该中心负责人明东教授说,脑-机接口绕过人体固有的周围神经和肌肉组织,将大脑与外部世界直接相连,从而为人的意念表达开辟了一条新的交流通道。“心动即行动。”明东教授这样描绘脑-机接口技术的应用前景,“用人类大脑的意念来控制外部终端,可帮助患者重获运动能力,未来,更可让机器人成为我们的分身。”
 
明东教授的乐观展望是来源于团队十多年以来扎根脑科学与神经工程领域的研究积累。基于头皮脑电控制的无创脑-机接口技术具有安全、便捷、高效的特点。他说,“现在是将这些技术带入核心领域进行规模应用的时候了。”通常情况下,评价BCI系统性能有三个重要的指标,分别是脑控信号的可识别精度、系统的信息传输率和单次可操控指令集大小。明东教授带领的这支年轻的天津大学团队是目前该三项性能指标的国际纪录保持者。
 
全键盘108超大指令集操控平台
 
在2016年,团队采用动态停止策略,实现了迄今为止最高信息传输率的模拟在线BCI实验,支持自适应收集足够的脑电图(EEG)信号以进行精确测量。2018年,开发的判别典型模式匹配(Discriminative Canonical Pattern Matching)算法在国际上首次实现了对亚微伏Event related Potential的高效解码,从而将脑电信号的可识别精度提高了一个数量级。2019年,搭建高速BCI系统首次实现了对全键盘108指令的操控,其指令集大小是传统BCI系统的3倍左右。
 
微弱视觉刺激范式及其判别典型模式匹配
 
除了在航天领域拓展宇航员在太空环境中的操作能力以外,天津脑科学中心团队开发的BCI技术也被用于脑卒中患者的康复治疗。相较于传统的方法只能提供有限的辅助,团队将BCI技术和功能性电刺激技术相结合,开发了全肢体中风康复训练的人工神经康复机器人系统。该系统可实现人的主观运动意图引起的皮层和肌肉活动,显著改善患侧肢体的神经控制能力。现在团队开发的一系列神经康复机器人已经在多家医院取得成功的临床应用。
 
“神工一号”人工神经康复机器人
 
未来,天津脑科学中心将围绕“临床+科研”的双中心创新驱动模式,进一步聚集和组织相关领域的优势力量进行脑科学与类脑研究、脑疾病诊疗与临床康复等方面的协同创新。这支年轻而富有活力的中国团队正在朝着特色鲜明、世界一流的脑科学与神经工程研究中心目标而奋力奔跑。
 
天津大学医学工程与转化医学研究院
天津脑科学与类脑研究中心

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