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脑机接口国内外研究现状

2023-06-18 13:30

近五年来,中、美两国的发文量相比于其他国家而言遥遥领先,而中国也已经成为排名第一的国家,进一步验证了中国的脑机接口研究热点仍然在持续。

中国的优势研究领域较为集中,主要是在工程学、计算机科学等方向。具体而言,研究集中在对 BCI 实现方式的优化和创新,例如对具有高沟通率 BCI 的研究、对 P300与稳态视觉诱发电位相结合的 BCI 系统的研究都引起了广泛关注。此外,中国还较为关注 BCI 在识别人脑状态及情绪中的应用,并在检测驾驶员是否疲劳、意识障碍患者的情绪识别等方面进行了实践。其中,中国科学院和清华大学近年的研究侧重于基于稳态视觉诱发电位的 BCI 的实现原理与应用。中日两国在脑机接口方面的合作研究成果显著,在理论方面具有突出贡献,尤其是 Zhang Yu 等人发表的多篇有关对 BCI 分类改进等系列文章,提出了在解码事件相关电位分类中引入 ALSDA 方法 21、在脑电图分类中引入稀疏贝叶斯方法等。

近年来,复旦大学致力于打造张江脑与类脑智能国际创新中心,现已经建立起大数据分析技术软件框架平台、人机交互移动边缘实时计算平台、脑机交互神经调控技术平台,面向帕金森病、脑卒中、疼痛、睡眠和抑郁,开展数字疗法、神经电子药物、智能闭环神经调控与康复等领域的机制研究、技术创新和设备研发。为发挥上海在脑科学领域的科研优势与人才汇集优势,上海市神经科学学会专门成立了神经调控分会,汇集了上海地区二十余家科研院所、临床医院、创新企业资源,聚焦神经调控技术研发与调控机制探索,以推动脑科学研究和先进技术革新,发展脑功能健康保护、脑疾病治疗与康复新方法。成员机构在脑机交互神经调控方面,积极开展项目覆盖用于交互式 BCI 的软性电极、核磁兼容的植入电极、植入式纳米材料研发;脑机接口芯片研发,交互式神经调控系统、数字大脑调控系统等集成系统平台研发;以及智能深部脑刺激、闭环神经刺激、植入式神经视觉假体等应用转化系统研发。

美国在脑机接口领域的研究起步较早,理论方面已趋于成熟。该国的研究多集中在基础领域,但该国在应用方面的研究相比其他国家也涉猎更深更广,包括对脑机接口各种类型、实现方式的探索,以及脑电图这一信号平台的应用。理论研究的代表机构是加州大学,该机构学者尤其重视改进 BCI 的相关技术,例如对可穿戴干式脑电图设备实时神经成像的研究 、对用于增强稳态视觉诱发电位检测的新型数据驱动空间滤波法的研究等。应用研究的代表机构则是宾夕法尼亚联邦高等教育系统(以匹兹堡大学为主),早在 2013 年,学者已经在“瘫痪患者通过脑机接口实现假体控制”方面取得了突破性研究成果。近年来,强化感知交互技术成为新的脑机接口研究方向。2020 年,巴泰尔科研中心和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究团队在《细胞》上发文,研究团队成功利用 BCI 系统帮由脊髓损伤导致的瘫痪患者恢复了手部触觉,引起了业界轰动。这项技术能捕捉到人所无法感知的微弱神经信号,并通过发回受试者大脑的人工感觉反馈来增强这些信号,从而极大地优化受试者的运动功能。2021 年匹兹堡大学的研究人员在《科学》杂志发文,研究团队开发了一套可实现感觉反馈的机器人假肢系统,当用户使用该系统抓取物品时,运动皮层植入物感受到大脑内的神经信号,进而控制假肢完成相关运动,同时假肢上的触觉传感器可以将触觉通过脑机接口反馈给用户的大脑,形成真实的“触觉”。

值得特别注意的是,美国在“康复治疗”这一研究方向上的发文量远超其他国家,说明美国已将 BCI 应用于医学治疗中,并且有显著的研究成果。然而,中国在“康复治疗”领域的发文量偏低,说明中国的研究仍然处于理论研究阶段,离医疗应用还有一定距离,这也侧面印证了中国在脑机接口领域的研究还处在发展上升期。“康复治疗”这一领域很可能是脑机接口研究的前沿方向,中国应该重点关注该领域。

德国的研究重点在于将脑机接口应用于疾病治疗,例如慢性脑卒患者的运动功能改善和瘫痪患者的意识沟通。从关键词词频来看,图宾根大学的研究侧重于神经科学领域,并且已经将成果大量应用于临床试验,另外在心理学领域的涉猎程度也相对较高。柏林工业大学比较重视对新理论、新方法探讨,例如开发用于解码事件相关电位的新框架、对多元神经影像学中线性模型权重向量的解释。

日本的重要研究多是与他国机构合作完成的,尤其是和中国学者合作。从关键词词频来看,日本脑机接口研究中最多的文献产出于神经科学领域,其次是工程学、计算机科学领域。而韩国则侧重于研究基于近红外光谱和功能近红外光谱的脑机接口。

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