腦機(jī)接口(Brain-Machine Interface, BMI，又稱腦機(jī)接口)為人類與機(jī)器和環(huán)境的交互提供了一個(gè)新的維度。腦機(jī)接口有助于恢復(fù)或改善人類的生理或心理功能?？茖W(xué)家們研究了各種各樣的技術(shù)，以在不同的水平上與大腦互動(dòng)，如下圖所示。

大腦皮層一直是腦機(jī)接口的研究對(duì)象。通過記錄多個(gè)皮層區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)來了解人類的意圖，研究人員使癱瘓患者能夠控制機(jī)械臂和假肢，并幫助殘疾人有效地溝通。

傳統(tǒng)的腦機(jī)接口允許我們?cè)谑芟薜膶?shí)驗(yàn)室環(huán)境中解碼感官和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如視覺反應(yīng)、手部運(yùn)動(dòng)和語音。將這些技術(shù)應(yīng)用到日常生活中仍然具有挑戰(zhàn)性。

大腦深層區(qū)域與基本的生命功能密切相關(guān)。為了更好地理解大腦是如何工作的，有必要研究大腦的深層功能。大腦皮層下區(qū)域是侵入性神經(jīng)調(diào)節(jié)和臨床神經(jīng)治療的主要靶點(diǎn)。人類深部腦結(jié)構(gòu)和功能異常見于多種神經(jīng)和精神疾病，包括帕金森病、阿爾茨海默病、抑郁癥、強(qiáng)迫癥等。深度腦機(jī)接口專注于理解和調(diào)節(jié)大腦深層區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)。它是一個(gè)具有巨大臨床應(yīng)用潛力的新興研究領(lǐng)域。

上圖說明了從表層到深層的記錄和刺激的主要方法。除了記錄和解碼，深層腦機(jī)接口還能夠通過傳遞治療性刺激來調(diào)節(jié)大腦的病理狀態(tài)。先進(jìn)的DBMI技術(shù)旨在以高時(shí)空分辨率記錄和解碼深層神經(jīng)活動(dòng)，并有效配置刺激參數(shù)，以精確調(diào)節(jié)大腦狀態(tài)。由于我們對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性和適應(yīng)性等機(jī)制的了解有限，開發(fā)具有長(zhǎng)期療效的DBMI仍然具有挑戰(zhàn)性。

由于神經(jīng)系統(tǒng)主要通過電信號(hào)傳遞信息，因此以電信號(hào)為中介的腦機(jī)接口成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文概述了目前可供人類使用的基于神經(jīng)電活動(dòng)的腦機(jī)接口技術(shù)及其在感知和調(diào)節(jié)腦活動(dòng)方面的應(yīng)用。作者介紹了兩種應(yīng)用廣泛的腦深部接口系統(tǒng)，即腦深部刺激(DBS)和立體定向腦電圖(sEEG)，并重點(diǎn)介紹了最新的技術(shù)進(jìn)展和臨床應(yīng)用。DBMI的潛力被用作強(qiáng)大的大腦研究平臺(tái)及其治療效用。本文還討論了DBMI系統(tǒng)的閉環(huán)控制框架，以及面向臨床應(yīng)用的閉環(huán)深腦接口技術(shù)的發(fā)展。

本文通訊作者為清華大學(xué)李魯明教授，第一作者為隋亞楠副教授，共同作者為余慧玲博士、張晨博士、陳岳博士和蔣長(zhǎng)清副研究員。

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深層大腦機(jī)器接口:感知和調(diào)節(jié)人類深層大腦

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac212  

雜志

國(guó)家科學(xué)評(píng)論

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10.1093 / nsr / nwac212