点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:数字经济的医疗新引擎
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

数字经济的医疗新引擎

来源:光明网2022-03-11 14:20

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大脑由大约860亿神经细胞组成,在这其中,大约有十分之一的细胞,是负责加工信息、承载思维活动的神经元(neuron)。这些神经细胞,会从胞体伸出细长的树突(信息输入)与轴突(信息输出),与其他神经元形成上百甚至上千个名为突触(synapse)的信息交流接点,在脑中搭建起一张超级神经网络。

  当神经元从突触接受的兴奋性刺激积累到突破反应阈值的水平时,就会爆发出脉冲尖峰极其高耸的“动作电位(action potential)”,并沿着轴突飞速向下游传输,最终通过末梢的突触结构,将信息传递给其他神经元。有时候,一些神经元即便不接受外部输入,也会有自发的放电,持续对其他神经元施加调控信号。

  对于单个神经元而言,这几乎就是它们仅有的信息加工能力。当这些神经元以庞大的规模构建起极为复杂的神经网络后,名为“知觉”甚至“意识”的奇妙存在,就会从认知功能中涌现而出。

  因此,如果能想办法读取这些神经元的电信号,那么我们就能在大脑中读懂一丝丝的意识信号。这门专注于通过解读神经元电信号来理解大脑功能的学科,便是神经电生理学(electrophysiology)。

数字经济的医疗新引擎

神经元细胞具有联络和整合输入信息并传出信息的作用|Pixabay

  在二十世纪60年代兴起的电生理研究热潮中,研究者们发现,很多神经元的活动状态与特定的感官刺激输入或者行为动作输出高度相关。比如说,在位于后脑勺的初级视觉皮层内,负责对双眼输入的视觉信息进行第一手加工的神经元,就往往只会对出现在视野中特定位置的特定视觉特征(比如角度或者颜色)起反应。在其他的感觉皮层与运动皮层中,研究者们也都观察到了类似的现象。依靠这种输入/输出信息与神经元之间客观存在的投射对应关系,研究者们逐渐画出了大脑皮层详细的功能地形图。这就是脑机接口技术的理论基础。

  从概念上看,脑机接口是一个通过电生理学技术采集神经元电信号、再经过计算机处理分析、最终向设备终端输出程序指令的系统。想要做到这一点,首先就需要想办法从大脑里尽可能多地采集神经信号作为原始数据。

  柔性电极与专用手术机器人可以将大量记录位点快速、精确、个性定制化地部署于大脑的各个区域。虽然相对大脑无比庞杂的神经网络来说,这些神经元的信号依然只是沧海一粟,但是对于脑机接口来说,却足已操纵一些设备了。

  当然,若要获取这样近距离收录的“超清无损”神经元信号,就需要将电极长期埋置于大脑之中,和神经元保持物理层面的近距离接触。这种操作如果用在人类身上,就有着无法回避的手术与感染风险。因此,这种侵入式脑机接口目前只能用于改善个别重度瘫痪患者的生活状态,为这些身体活动不便的使用者带来控制躯体的新机制。

  目前的植入式脑机接口,需要被试者与分析程序共同进行长期的学习训练,如此才能使大脑顺利输出极为有限的数字化指令,而且“带宽”极其有限,往往只是几个引导机械臂末端或者屏幕光标的坐标、角度信息,还有响应延迟与误码率的问题,与外人看来随心所欲、如臂使指的表现效果完全不同。但即便有如此多的困难,脑机接口技术依然在不断推进。2021年5月,《自然》杂志上发表的一篇研究论文中,研究者就通过精确捕捉动作皮层神经元的信号,让植入电极阵列的被试者能以近乎常人的速度向计算机输入字母,并且有着99%的惊人准确率。

数字经济的医疗新引擎

脑电图机所记录到的多导脑电图信号

Wikipedia Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International

  而相比于多少还可以想想办法的“输出指令”环节,如何向大脑有效地输入反馈信息,形成完整的信息流闭环,才是最令研究者与工程师们头疼的难题。在我们运动时,大脑时时刻刻都在根据各种反馈信息对动作进行调整。但时至今日,我们对大脑如何表征并认知输入的信息依然有太多不甚明了的地方,更不用说向大脑准确输入有意义的人工信号了。目前的侵入式脑机接口,主要依靠被试者的目视来调整移动的效果,远不足以支持基于闭环反馈的精细操作。

  相比于侵入式脑机接口,还有一类非侵入式脑机接口。这条技术路线最明显的好处,就是免去了手术的风险,可以无门槛普及到任何人身上。但非侵入式脑机接口的缺点同样突出——如果说植入式电极是把话筒凑到神经元的嘴边,去分别录它们的个人发言,那么非侵入式脑机接口就是在大楼顶上支一个麦克风,然后隔着天花板去听底下人群的嗡嗡声响。因此,在取得记录技术的突破以前,非侵入式脑机接口都只能记录到神经元群体电位变化的总和,反映一些非常“大而化之”的大脑活动,前景同样受到很大的局限。

  脑机接口作为与脑科学、芯片、智能算法等多学科交叉的前沿技术,在康复医疗领域具有非常大的研究价值与应用潜力,除了为思维正常但有肢体运动障碍的患者提供新的运动机制之外,还有望在失眠、帕金森、老年痴呆等慢性意识障碍、精神疾病领域发挥突破性的作用。因此,脑机接口技术对于传统医疗而言可能是一场革新,为医疗服务质量的提升带来新的发展动力。

  而要发展好脑机接口,除了在软件、算法等理论研究之外,离不开芯片、材料、设备等硬件的加持,也离不开技术验证、产品研发、审核认证等产业基础能力的支持。在数字经济不断发展的竞争浪潮中,数字化技术的不断迭代刷新着每个产业的发展,医疗领域也不例外。脑机接口的飞速发展开辟了医疗领域的新赛道,我们应把握机遇,提前为脑机接口产业可能面临的问题与风险做好准备。

数字经济的医疗新引擎

如何在脑机接口的发展与风险中取得平衡是关键|Pixabay

  例如,脑机接口的研究与发展需要慎重面对一些伦理挑战与安全风险:侵入式脑机接口技术在使用时,如何判断其是否会破坏大脑,如何评估其长期影响;如何获得沟通困难患者的知情同意权;脑机接口的电子信号是否有可能会被黑客潜入,如何保护个人隐私;装备有脑机接口设备的人员一旦出现事故,如何判断其责任归属等等。面对这些问题与风险,我们需要做的是尽早重视,建立完善的评估与监管制度,合理制衡各方利益,保证大众对于这项技术享有共通的权利与义务。

  现实中的脑机接口只经历了几十年的发展历史,与科幻故事中的未来科技有着天壤之别,其理论研究与设备仍然处于实验室研究阶段,与实际应用有较大差距,甚至最后可能会被证明根本不是一条有前景的技术路线。但对于那些被“不治之症”束缚的患者来说,哪怕一点点的痊愈希望,都是人类医疗发展的一大进步。这才是包含脑机接口在内的一切科学技术及数字经济发展的根本意义——以人为本更好维护人民权益。

  参考文献

  [1]李继硕. 神经科学基础[M]. 高等教育出版社, 2002.

  [2]杨立才, 李佰敏, 李光林,等. 脑-机接口技术综述[J]. 电子学报, 2005, 33(7):8.

  [3]何庆华, 彭承琳, 吴宝明. 脑机接口技术研究方法[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2002, 25(12):106-109.

  [4]李静雯, 王秀梅. 脑机接口技术在医疗领域的应用[J]. 信息通信技术与政策, 2021(2):5.

  [5]高上凯. 浅谈脑-机接口的发展现状与挑战[J]. 中国生物医学工程学报, 2007.

  作者:张雨晨

  编辑:韩越扬

数字经济的医疗新引擎

[ 责编:赵清建 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 宁夏同心:黄河水润枸杞红

  • 重庆:“健康夜市”义诊活动为群众健康服务

独家策划

推荐阅读
在6月18日至20日举行的2025年世界移动通信大会(上海)(MWC上海2025)上,一系列新技术、新产品、新应用集中亮相。
2025-06-20 10:21
每年春天,在南半球夜空的指引下,数十亿只布冈夜蛾会向南迁徙1000公里,到达澳大利亚的阿尔卑斯山脉。
2025-06-20 10:21
厦门大学柔性电子(未来技术)研究院教授梁亮亮团队联合新加坡国立大学教授刘小钢团队,在镧系元素掺杂光子雪崩上转换纳米晶研究中取得进展。
2025-06-20 10:21
几十万年前,不只是我们“毛茸茸”的祖先在奔跑、狩猎、生火,还有许多其他“人类亲戚”也栖居在地球上。
2025-06-20 10:21
记者从上海海洋大学获悉,该校水产与生命学院、上海海洋大学eDNA工程中心张玮研究小组在四川稻城海子山保护区的从前措,完成了一次令人兴奋的“生命寻宝”——发现并命名了一种全新的藻类。
2025-06-20 04:40
大力弘扬“爱国、创新、求实、奉献、协同、育人”的科学家精神
2025-06-19 19:13
在生命起源的奥秘中,胚胎发育始终是深受关注的谜题之一。研究发现,在小鼠胚胎发育到7.75天时,胚内、胚外层交界处出现一个独特的信号“洼地”——器官原基决定区(PDZ)。
2025-06-19 10:00
高校学术共同体是科学家精神的培育者、践行者、传承者,以科学家精神引领学术共同体文化建设、以制度机制创新推进科学家精神转化为学术共同体的行动自觉,必将推动高校充分发挥人才和科技优势,在实现高水平科技自立自强、全面提高人才自主培养质量中做出积极贡献。
2025-06-19 09:58
今年麦收期间,各地积极应对高温炎热和多轮大范围降雨天气影响,高效调度机具,强化部门协作,加强服务保障,全力组织抢收,努力做到适收快收、应收尽收。
2025-06-19 09:56
干细胞储备耗竭及其引发的组织再生与稳态维持能力下降,是机体衰老和衰老相关疾病的关键特征。
2025-06-19 09:56
设立20多年来,创新研究群体项目有力支持了一批优秀学术带头人自主组建、带领研究团队开展创新性的基础研究。
2025-06-19 09:55
今年以来,DeepSeek“破圈”跻身全球人工智能大模型“顶流”,人形机器人加速进入多个应用场景……
2025-06-19 09:53
海洋给人的传统印象,一是资源取之不尽、用之不竭,二是靠天吃饭。渔民们世世代代出海撒网,找鱼靠经验、收成靠运气,虽然要受天气、季节、水文等的影响,却从不担心无鱼可捕。
2025-06-19 09:57
(记者魏依晨)记者6月15日从江西婺源森林鸟类国家级自然保护区获悉,该保护区与上饶师范学院生命科学学院在多样性调查中发现了昆虫新属新物种——桂刺蛾。上饶师范学院生命科学学院院长郭连金介绍,基于线粒体编码的细胞色素C氧化酶I(COI)基因的分析表明,桂刺蛾属为单系群。
2025-06-18 10:23
几年前,我开始使用聊天机器人ChatGPT时,还觉得离通用人工智能(AGI)很遥远。我发起的研究项目正是围绕上述情况展开的,并希望构建一种只有智能,没有自我、没有目标,并且具有极有限行动能力的AI。
2025-06-18 10:22
揭示了蚂蚁的演化历史和蚂蚁社会系统的演化机制,并系统解析了推动蚂蚁社会行为、社会分工、社会组织结构演化的关键基因。
2025-06-18 10:20
“一个20平方米大的水池,他在那边赶,我在这边捞,下网好几次,才捞上来两条鱼。2022年底,东星斑养殖遇到严重的病害,特别是一批鱼连续10多代近亲繁殖造成品种退化,存活率低,市场效益不好。
2025-06-18 10:19
“当那些紫花的、圆粒的、矮茎的、皱荚的豌豆在园中悄然生长,孟德尔杂交实验里的一个个豌豆性状仿佛穿越时空,跃然眼前。这种遗传背景修饰主效突变的机制,为理解复杂性状背后的表型可塑性与遗传调控层级提供了一个生动案例。
2025-06-18 10:18
此外,团队还首次捕捉到热流下声子的“非平衡态”:在界面附近约3纳米的狭窄区域,声子分布明显偏离了平衡状态。”   高鹏进一步说,当电子显微镜化身为洞察原子热浪的“超级温度计”,人类对微观世界的热操控正迎来前所未有的清晰图景。
2025-06-17 10:04
“此次发布的新产品,正在无人机物流、农林植保、紧急救援、城市空中交通等多个低空经济示范场景中进行前期测试。 欣旺达从消费电子电池领域的全球重要供应商起步,在全球动力电池装机量榜单上跻身前十,并在储能领域成为中国企业全球电芯出货量排名前十的厂商。
2025-06-17 10:03
加载更多