神经接口系统应用及展望

　　严重瘫痪病人用思维或意识直接控制外部设备, 盲人利用人工视觉重见光明, 似乎是科幻故事。随着神经科学、计算机科学、信号处理等技术的高速发展, 实现大脑与计算机或其他设备通信和控制正逐渐成为现实, 完成这种功能的系统称为神经接口(neural interface, NI), 脑机接口(brain- machineinterfaces, BMI)、脑- 计算机接口 (brain- computerinterface, BCI), 也称为神经假体(neuroprostheticdevice)。

　　神经接口在人脑与外界之间建立一种直接的通信与控制途径, 这一崭新的人机接口方式为那些思维正常但有严重感觉和运动障碍的患者带来了新的希望, 鉴于其巨大应用前景, 神经接口技术已引起国际科学界的高度重视, 正成为脑科学、康复工程、生物医学工程等研究领域的前沿热点, 许多神经科学家、工程与康复研究人员正积极开展这方面的研究[1-4]。

　　1 神经接口系统

　　神经接口是大脑( 包括人脑和动物脑) 与外部设备( 如计算机、电子设备或机械装置) 间实现交互性通信与控制的功能接口(如图 1)。

　　神经接口系统可以分为两大应用类型, 一类是用于输入型神经接口, 另一类是输出型神经接口。理想的神经接口系统是输入输出复合型系统。

　　1.1 输入型神经接口

　　输入型神经接口主要用于向大脑传入感觉信息, 通常是利用电子设备产生特定的电信号, 刺激大脑组织, 向大脑传送某种感觉信息( 如视觉、听觉或触觉等) 或者是模拟特定的神经学功能。输入型神经接口也包括直接刺激大脑组织用于镇痛的电刺激器, 以及用于控制帕金森氏症、癫痫的深部脑刺激器。

　　1.1.1 人工耳蜗

　　人工耳蜗是最早成功应用的神经接口。内耳创伤、疾病或其他原因而引起的听觉神经受损会导致耳聋。人工耳蜗可绕过内耳的损伤部分, 将声音转换为不同频率的电刺激信号, 通过植入电极阵列刺激耳蜗基膜听觉神经, 使病人重获听力。1964 年, 美国医生将 6 导电极植入到一位全聋病人耳蜗, 当电极激活时, 病人能感觉到有限的频率。到 1998 年全世界已有超过 18,000 人借助人工耳蜗恢复听力。要使听觉神经损坏的患者恢复听力, 只能考虑直接向大脑植入芯片。研究者们正在探索两种方式: 向耳蜗核植入电极, 这是脑干的一部分, 正常情况下负责接收从听觉神经中输入的讯号; 或者向听觉大脑皮层植入电极。脑干和大脑皮层的植入研究还处于萌芽阶段。

　　1.1.2 视觉神经假体

　　人工视觉研究始于上世纪 50 年代, 目前人工视觉刺激器主要包括以下三种类型。

　　(1) 视皮层刺激器

　　视皮层刺激器采用电极直接刺激枕叶皮层。早期的刺激器可产生光感, 不能形成图像。新的皮层刺激器系统由固定在眼镜上的微型数码摄像机获取图像, 经便携式电脑编码处理, 产生特定模式的电刺激信号刺激皮层。据报道[4], 葡萄牙盲人借助皮层视觉神经假体恢复了部分视觉, 甚至还可以小心翼翼地开车。虽然直接刺激皮层可能存在感染及诱发病灶性癫痫的危险, 并且面临许多技术挑战, 但该方法仍然具有可行性。