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INFO研究圈丨意念操控肢体运动已成现实!——脑机接口

在今年5月份,硅谷“钢铁侠”马斯克突然在发布会上宣布已经找到了高效实现脑机接口的方法。消息一出,令全世界震惊!

硅谷“钢铁侠”——马斯克

具体来说是首先在颅骨上打开一个微创的伤口,然后向大脑内快速植入芯片(四个芯片,一个芯片在躯体感觉皮层,三个芯片在运动区域),这些芯片将连接到一个感应线圈上,该线圈与一只耳朵后面的电池相连,为系统供电,最终将通过蓝牙连接进行无线访问,这些芯片会代替损伤部位的功能,从而恢复视力、听力和四肢的运动能力。

马斯克公司的脑机接口

7月9号,马斯克在其个人推特上再次爆出了关于“脑机接口”的重大突破,但是此时马斯克也给我们留下了一点想象的空间,他宣称将会于今年8月28日进行公布。

在去年卡内基梅隆大学与明尼苏达大学的研究人员日前利用无创的脑机接口(BCI)技术,成功开发出第一款由大脑控制的机器人手臂,具有连续跟踪计算机光标的能力。他们克服了嘈杂的脑电信号,显著改善基于脑电图的神经解码,从而实现实时连续的机器人设备控制,该成果于去年发表在 Science Robotics上。它仅依靠人的意识去无创性的去支配机器人,这对改变瘫痪患者和运动障碍患者的生活做出不少的贡献。

卡内基梅隆大学与明尼苏达大学无创脑机接口(BCI)技术

脑机接口,是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间创建的直接连接通路,大脑发送出运动指令,外部设备能准确的完成相应的动作。

攻壳特工队真人版中的脑机接口

脑机接口主要分为侵入式、部分侵入式和非侵入式三种类型。侵入式需要往大脑里植入神经芯片、传感器等外来设备;部分侵入式一般植入到颅腔内、灰质外;非侵入式有脑电图(EEG)、脑磁图、功能性磁共振成像(fMRI)等类型,通常是通过脑电帽接触头皮的方式,间接获取大脑皮层神经信号。

被植入芯片的老鼠

侵入式的脑机接口需要专业是操作和外科知识来正确的操作和安装,最重要的是容易引发免疫反应和愈伤组织(疤),进而导致信号质量的衰退甚至消失。

2014年巴西世界杯开幕式,瘫痪的青年利亚诺·平托通过脑机接口控制外骨骼踢出了当年世界杯的第一球

非侵入式的脑机接口是通过外部传感器测量脑的信号,这种方式比较廉价也方便佩戴,但是采集的信号比较嘈杂,分辨率不是很高,但是现有的技术已经可以克服嘈杂的信号,提取所需的信号,因此非侵入式的脑机接口容易被人们接受。

非侵入式脑机接口目前的呈现形式——电极帽

由于非侵入式的易用便携性,2013年,非侵入式脑机接口已经占了整个脑机接口市场收入的85%,并在未来表现出稳定的增长状态。尽管非侵入式更受欢迎,但在预期患者群体中处于最高优先级的手臂或手部控制的恢复、增强或辅助技术方面,基于脑电图的脑机接口却并不是很有效。

因为脑电图测量的是大脑皮层的生物电,空间分辨率相对比较低,所以采集的信号比较嘈杂,现在存在一项和脑电图不相伯仲的技术,即功能性近红外光谱技术,是利用光谱学的原理采集大脑信号,它既可以提高空间分辨率,又可以降低信号的嘈杂程度,是比较受欢迎的一项科学技术。那么,什么是功能性近红外光谱技术?本文将由浅入深的为您做一个系统的讲解。

 

什么是光谱?

光谱(Spectrum) :是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱,其中390nm-770nm的光谱是人眼可见的,这个波长范围内的电磁波被称为可见光谱,其中可见光的辐射占总辐射量的45~50%。可见光谱的红端和紫端之外分别还有更长的红外线和更短的紫外线,是肉眼不可见的,可以通过仪器记录,所以光谱包括可见光谱、红外线光谱和紫外线光谱。(引用百度百科)

 

什么是近红外光谱技术?

红外线所占总辐射达到43%,可以分为近红外区(0.75~2.5μm)、中红外区(2.5~25μm)和远红外区(25~1000μm),近红外区是人在吸收光谱中发现的第一个非可见光区,它可以探索到样品中含氢基团的特征信息,利用近红外光谱技术分析样本具有方便、快速、高效、准确和成本低的优势,因而受到人们的青睐。

图为光谱辐照通量密度,带有颜色的面积为总的通量密度,其中可见光谱约占50%,红外光谱占43%,紫外线光谱占7%.

近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波,按照ASTM(美国试验和材料检测协会)的定义是指波长在 780~2526 纳米范围内的电磁波。在近红外中不同波长的光会产生不同的频率,当用一定频率的红外光照射某物质时,若该物质的分子中某基团的振动频率与它相同,则此物质就能吸收这种红外光,使分子由振动基态跃迁到激发态。因此若用不同频率的红外光依次通过测定分子时,就会出现不同强弱的吸收现象。

fNIRS成像原理

红外光谱有很高的特征性,每种化合物都具有特征的红外光谱,用它可进行物质结构分析和定量测定。因此,将近红外光谱技术应用到各个领域中,分析生物或者物质的某个化学成分的含量。当近红外光谱技术应用到脑科学中就称为功能性近红外光谱(Functional Near – Infrared Spectroscopy , fNIRS)。

 

什么是功能性近红外光谱技术?

fNIRS主要是利用血液的主要成分氧合血红蛋白(Oxy-hemoglobin,Oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(Deoxy-hemoglobin,Deoxy-Hb)对600-900nm的近红外光良好的散射性,从而获得大脑活动时Oxy-Hb和Deoxy-Hb的变化情况,其优点是采用光学测量,无辐射、便捷、测试环境可变。下图显示的是Oxy-Hb和Deoxy-Hb光学吸收光谱,不同的厂家会根据自身的设备硬件情况和矫正模型采用不同的波长进行采样监测。

图为Oxy-Hb和Deoxy-Hb在不同波长下的吸收系数

现在市场上的功能性近红外设备采用的原理大致相同。荷兰Artinis功能性近红外光谱成像系统既可以测量脑部血红蛋白又可以测骨骼肌血红蛋白的变化。其设备的原理就是采用连续波近红外光谱技术,至少需要一个发射器和一个接收器来组成一个近红外光谱的通道,发射器发射两种不同波长的光,发射器发出的红外线,通过皮肤颅骨等组织散射到神经组织中。

fNIRS原理图:光源到发射器、接收器到CCD之间全部由光纤连接

在组织内部,部分光被Oxy-Hb和Deoxy-Hb吸收,未被吸收的光则通过“香蕉路径”(此路径是从发射器开始,探测器结束,中间光线的路径是通过计算机模拟出来的,形状似香蕉,故称为香蕉路径),被头皮的探测器接收。

蓝色为探测器,绿色为发射器,探测器和发射器之间的距离为3~4cm,红色的为近红外光线在组织中的路径,形似香蕉,所以称为“香蕉路径”。

近红外光谱的探测深度大约是发射器与探测器距离(距离约30~40mm)的一半,因此近红外光谱的组织探测深度约为15~20mm,其测量的是毛细血管中氧气的交换,即毛细血管中血液携带的氧气和细胞摄取氧气的动态过程。测量数值代表的是相对浓度,而非绝对浓度。为了满足各种科研的需求,功能性近红外脑功能成像系统分为不易移动的台式和方便携带的便捷式。

 

Artinis-功能性近红外光谱技术系统

Artinis是一家创新型的荷兰公司,十多年来Artinis一直致力于研发高科技近红外光谱成像解决方案。Artinis与全球众多大学紧密合作,积极参与各种不同的科学项目,与很多专家学者合作,凭借这些合作以及对该领域的广泛了解,Artinis的专家团队研发出世界领先的高品质的近红外光谱成像产品,使近红外光谱成像变得容易。

应该如何选择合适的仪器?

Artinis的产品多种多样,应该如何选择和自己研究相适应的仪器,这是进行科学研究最重要的环节之一。Artinis的相关产品按功能可以分为两大类,分别是测量脑区活动的仪器和测量肌肉活动的仪器。

测量脑区活动的设备又分为运动类和静态类。静态类的设备是OxyMon,它的优点是光源稳定,最多可以测量112通道,不足的是设备体积比较大,不易搬移,更适用于活动范围比较小或者只有上肢活动的实验。

台式机系统-OxyMon

对于活动范围比较大的实验,动态类的设备(便携式设备)将更加适合,例如Brite、OctaMon和PortaLite,其中Brite可以测量全脑的活动情况,测量通道数最高能达到54个。

Brite

OctaMon只可以测量部分脑区,比如前额叶、运动区或者枕叶,测量的通道只有8个,如果研究内容并不需要太多通道,OctaMon是一个不错的选择。

OctaMon

PortaLite只有3个通道,只能测量一个脑区,如果研究内容只需要针对一个脑区,PortaLite比较适用。以上均是测量脑区的活动设备,请根据自己的需求选择合适的仪器。

PortaLite

Artinis还有测量肌肉活动情况的设备,然后根据可测肌肉的大小分为两类。一类是适合大肌肉群的设备,包括OctaMon和PortaMon,OctaMon可以同时测量两个大肌肉群,每个肌肉群可以测试4个通道;PortaMon只能测试一个大肌肉群,并且只能测试3个通道,更适用于稍小的肌肉群。

PortaMon

还有一类是测量小肌肉群的设备,包括PortaLite和PortaLite mini,它们可以测量更小的肌肉群,比如胸锁乳突肌,岗上肌等小肌群。

PortaLite mini

Artinis的产品既可以测脑部的氧合血红蛋白,又可以测试肌肉的血红蛋白,如果有需求还可以同时测试脑部和肌肉的血红蛋白,也可以和EEG(脑电)联合同步使用,还可以通过外部触发器和EMG(肌电)同步使用。除了通过外部连接进行多仪器的使用,还可以将NIRS(近红外光谱技术)、经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)、肌电整合到一个测试帽上,进行完整的同步实验测试。

脑电近红外同步测试套装EEG FNIRS

使用Artinis的相关产品可以测量脑区的活动,但是无法通过手动去调节模板的位置来改变被测脑区的具体位置,否则会因为人为误差致使测量的数据结果和实际的测量位置不匹配,从而导致所测脑区血红蛋白浓度不是目标脑区的浓度。

因此,为了精确的测量对应脑区的氧合血红蛋白浓度,需要借助三维定位仪。美国的Polhemus是业内第一家完成头部三维头像,并将其放置在电极位置上的公司,他们可以快速获取电极位置的数据并将其叠加在测量脑区的图片上,从而准确的定义脑区活动的发生位置。

图为三维定位仪

它是市场上数字化产品的黄金标准,在使用上简单方便,可以在头部的周围自由移动;在应用上比较广泛,不仅应用在近红外仪器中,而且也可以配合EEG进行使用;不仅如此,其价格亲民,市场竞争力强。数据显示,近几年的近红外研究中大多数都使用了三维定位仪,并且在文章的发表上也受到杂志的青睐。

图为三维定位仪的应用

总体来说,Artinis的产品具体细分为三大类,分别是主要测试脑区活动的OxyMon;主要测试肌肉活动的PortaMon;既能测试脑区活动又能测试肌肉活动的Brite、OctaMon、PortaLite。

同时,每个设备都有自己的优势和不足,不过彼此之间可以互补,因为不同型号设备之间可以配合使用,以满足研究中特定的需求,而且还可以和tDCS、EEG、EMG等设备共同使用,存在良好的兼容性。

除了单独测试脑区的氧合血红蛋白浓度,无法满足研究的需求,为了精确被测的脑区位置,三维定位仪是必要的设备。因此,在脑科学领域中,近红外的研究体系已经比较完善,研究者可以根据自己的需求选择合适的方案。

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