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【天富娱乐代理奖金】什么是脑机接口?脑机接口是怎么工作的?对大脑有损害吗?

脑机接口(BCI)是一种将脑信号直接转换为计算机软件(例如文本编辑器)或设备(例如电视)的动作的设备。在这里,我们解释谁是BCI的预期用户,以及BCI的工作方式。我们还描述了不同类型的BCI,特别是针对严重瘫痪患者的BCI。

什么是BCI?

BCI是一种设备,包括测量大脑信号的传感器(通常以“电极”的形式),是一种增强微弱的大脑信号的放大器,以及将信号转换为命令,以控制计算机程序和/或设备的计算机。BCI的组件可以制成便携式和/或可穿戴的。BCI控制的设备范围很广,从而为瘫痪者提供辅助技术,和为健康人提供互联网设备(例如智能手机)以及简单的计算机游戏或玩具(例如小型直升机)。

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BCI目标用户是谁?

当前,有许多小组正在忙于为各种应用程序和类型的用户开发BCI。许多应用程序仅供临时使用,不需要永久安装。例如,可以帮助人们从伤病中恢复的康复设备,以及用健康人可以操作的游戏控制器。某些BCI旨在永久性替换因受伤或疾病而丧失或受损的功能(例如由于中风导致的手功能丧失)。

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对于临时BCI(例如游戏控制器),可以使用几种商用设备。当前所有的游戏BCI都基于利用内置在帽或头带中的电极来测量大脑的信号。虽然这些系统可以很有趣,但是这些系统的性能还不足以使其成为物理损伤的替代品。

医疗BCI应用要求高度的准确性,因为设备故障的后果要严重得多。例如,用于打字的BCI设备中的常见错误会严重阻碍通信,或者机械臂或轮椅的意外移动会导致严重伤害。许多小组正在努力使BCI达到医疗应用程序的标准。这些设备不仅使用带盖或头带的头部放置在电极上,而且还使用可直接植入大脑内或大脑上的传感器进行开发。在这些情况下,相对于迄今在头皮上放置电极所取得的效果,更好的性能所带来的好处胜过了手术风险。

遭受严重瘫痪的人最能从BCI中受益。靠近大脑的损伤通常会导致更高程度的瘫痪和更多的功能丧失。在极少数情况下,瘫痪是如此极端,以至于患病者几乎无法移动其身体的任何部位。这种情况称为“锁定综合征”或LIS。在这种情况下,通常无法讲话,只能通过诸如眨眼之类的细微面部运动来进行交流。

目前正在开发旨在恢复LIS人士沟通能力的BCI。对这些设备的期望是,它们将在某个时候为LIS的人们提供全天候的词汇交流能力,通过Internet发送消息以及在没有护理人员帮助的情况下每天24小时打开和关闭设备的能力。最重要的是,这些设备还可以用于警告看护者用户需要帮助。

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BCI对麻痹程度较轻的人也很有价值。例如,已经成功测试了BCI设备,该设备允许从脖子向下瘫痪的人们通过想象自己的手臂来控制机器人手臂。然而,目前尚不清楚需要多少时间来将这些系统改进到可以使它们在商业上可用的价格,而对于那些没有遭受极端瘫痪之苦的人们来说却是可以承受的。

BCI如何工作?

脑信号

BCI记录并解释或解码脑信号。脑细胞(神经元)通过发送和接收很小的电信号相互通信。使用高级电子传感器可以“监听”这些信号(通常称为“大脑活动”)。健康的人能够移动,因为大脑会通过中枢神经系统向身体的肌肉发送信号。人的所有互动(例如说话或握手)都需要大脑和肌肉之间的精确交流。诸如中风或神经肌肉疾病之类的医学状况可能会破坏或破坏大脑与身体肌肉之间的交流,并导致瘫痪(或丧失控制身体的能力,例如脑瘫)。

测量大脑信号

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脑信号可以用各种各有利弊的技术来衡量。脑电图仪(EEG)是一种常用的技术(例如,用于医院的神经系统测试)。该技术使用放置在头皮上的电传感器(电极)。

电极也可以直接放置在头皮下的脑组织上或脑组织中。必须进行外科手术来放置这种电极。放置在大脑表面的电极不会损坏大脑。该信号的质量明显优于从头皮记录的信号。出于这个原因,现在正在为瘫痪者开发可植入的BCI。

其他测量大脑活动的技术是功能性MRI(fMRI)(使用MRI扫描仪测量大脑活动)和磁脑电图(MEG)(使用MEG扫描仪测量大脑活动)。这两种技术都需要不适合家庭使用的大型且昂贵的机器。

另一种技术是近红外光谱(NIRS),该技术通过使近红外光穿过颅骨来测量大脑活动。NIRS可以做成便携式的,不需要任何手术。但是,此时,脑活动测量的质量不足以与BCI一起使用。

脑功能

通常,身体的每个部分在大脑中都有自己的“控制中心”,负责协调其运动。例如,用左手握拳和摆动右脚趾都受大脑不同区域的控制。

当不同的控制中心处于活动状态时,可以“查看”用于测量大脑活动的不同技术。这使BCI可以从大脑活动中检测身体部位的运动。大脑的特殊品质是这些控制中心也很活跃,因此您只考虑做一个动作而实际上不动。

通常,患有LIS的人大脑中仍具有功能齐全的控制中心。因此,即使他们不再能够移动大脑通常控制的身体部位,他们也可以通过思考或尝试做出动作来激活大脑中的不同区域。

除了运动以外,还可以检测其他许多大脑功能。例如,当您在大脑中进行数字计算时,大脑中会有一小块区域被激活。其他领域涉及理解语言和口语的不同方面。当这些区域处于活动状态时,BCI可以检测到某个人是在添加头还是在讲话。

因此,大脑中有许多不同的区域,一个人可以通过执行不同的智力(例如,以7步的倒数计数)或身体上的任务来有意地打开和关闭。麻痹患者也可以通过执行精神任务有意激活大脑的特定区域,这一事实使BCI成为一种现实而有希望的辅助设备技术。

BCI对大脑信号有什么作用

通过将电极精确地放置在某人可以控制的大脑区域上,我们可以获得响应该控制的信号。检测到信号后,可以将其转换为操作设备或软件的命令。然后可以对计算机进行编程,以使用此信息来执行特定任务。这样,一个人可以使用BCI来使计算机鼠标在每次向后倒数时都可以“单击”并从计算机程序(例如电子邮件程序)的菜单中进行选择。这种基于“鼠标单击”的控件已经被瘫痪的人们普遍使用,带有特殊的“按钮”,可以通过他们仍然能够进行的任何类型的动作来激活它们,例如抬起眉毛。因此,BCI也可以用作“按钮”来控制设计用于按钮按下控制的多种类型的设备。

BCI最新技术

各种BCI是可商购的。它们不足以供瘫痪者使用,因为它们无法很好地工作。例如,如果使用它们来键入电子邮件,很快就会造成很多挫败感。有一些植入物,但仅限于电极,尚不包括放大器。它们依靠外部放大器,因此带有固定在磁头顶部的连接器。一种系统是完全可植入的,但尚不清楚它会如何运作。但是,目前有一种完全可植入的系统正在乌得勒支进行测试。

UMC乌特勒支大脑中心基于医疗设备公司Medtronic制造的先进设备,为LIS患者开发了可植入的BCI系统。乌得勒支神经假体(UNP)是第一个也是唯一一个适合无辅助家庭使用的系统。UNP通过无线连接从植入胸腔的设备发送放大的大脑信号到外部计算机。UNP与现有的辅助技术兼容。

世界各地的多个实验室目前正在开发其他植入式BCI。未来将告诉您哪种设备最适合哪些用户。在这一点上令人振奋的消息是,正在进行一项针对家用的完全可植入BCI的首次测试。这些测试的阳性结果可以促进BCI的进一步发展,将来有望使瘫痪程度较轻的人们能够买得起高性能的可植入BCI。

重要的是要认识到BCI无法阅读人的思想或内心的讲话。BCI仅能检测到它们所关注的特定大脑区域何时处于活动状态。当前的技术远远不能检测或解释特定区域内不同类型的复杂脑功能的活动。例如,BCI可以检测到某个人想要单击鼠标,但是不能仅根据大脑活动来确定鼠标单击的原因。但是,将来BCI可能能够同时发出几个不同的命令,例如将鼠标向上和向右移动。

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