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

  • 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室

  • 邕江引水工程建设进展顺利

独家策划

推荐阅读
近年来,从基础研究到成果转化、生产应用,香港在上中下游“全链发力”、促进“环环相扣”,发展新质生产力的战略愈发清晰,投入力度不断加大。
2024-12-03 16:02
12月2日,南水北调中线引江补汉工程首台硬岩掘进机(TBM)“江汉先锋号”在土建4标8号平洞顺利始发掘进,标志着引江补汉工程正式进入TBM掘进施工新阶段。
2024-12-03 09:05
山西省考古研究院日前对外公布了运城市夏县崔家河遗址考古发掘资料,该遗址属于距今5000余年的仰韶中期庙底沟文化,并出土一件同时期罕见的彩陶鱼纹盆。
2024-12-03 04:15
近日,科学技术普及法修订草案首次提请全国人大常委会会议审议,这是科普法自2002年公布施行以来的首次修订。此次修订聚焦科普工作中的突出问题,强化了社会各界的科普责任,
2024-12-03 04:50
记者2日从工业和信息化部获悉,我国将完善优质企业梯度培育体系,探索建立专精特新赋能体系,健全与专精特新中小企业成长相适应的要素保障制度。
2024-12-03 04:50
一件采集于内蒙古自治区阿拉善左旗的早白垩世恐龙标本被认定为窃蛋龙类恐龙新类群——百年鸳鸯龙。这一最新研究成果近日发表在国际学术期刊《白垩纪研究》上。
2024-12-03 04:50
记者从中国气象局获悉,南极中山国家大气本底站(以下简称“中山本底站”)1日正式业务运行。这是我国首个境外大气本底站,将对南极大气成分浓度变化进行连续、
2024-12-03 04:50
11月30日晚间,海南商业航天发射场圆满完成首次发射任务,验证了我国首个商业航天发射场在硬件、软件、人员等各方面已具备常态化发射能力。
2024-12-02 08:55
房元鹏分析,比较来看,我国的天舟飞船属于大型货物运输飞行器,上行装载货物能力强。
2024-12-02 08:50
从农业农村部获悉,12月1日,由农业农村部主办的第二十一届中国国际农产品交易会在广东省广州市落下帷幕。
2024-12-02 03:45
推进中国式现代化,科技要打头阵。科技创新是必由之路。近日,习近平总书记在湖北考察期间,到武汉产业创新发展研究院考察,观看科技创新供应链平台成功案例展示和科技创新成果,
2024-12-02 03:40
科学与哲学关系密切,恩格斯早就提出,“随着自然科学领域中每一个划时代的发现,唯物主义也必然要改变自己的形式”,有着独特思维方式的哲学必然随着科学的发展而自觉改变其本身的形式。
2024-12-02 03:45
提供更加精细化、专业化、多样化的服务。
2024-12-02 03:40
让年轻人在科技创新中“挑大梁”,要遵循人才成长规律和科研规律,在技术攻关中敢于给他们压担子,并对他们可能遭遇的失败给予一定的宽容度。
2024-11-29 09:51
国家医保局28日举行新闻发布会,发布2024年国家医保药品目录调整情况。据介绍,自成立以来,国家医保局已连续7年开展药品目录调整工作,累计将835种药品新增进入国家医保药品目录,其中谈判新增530种,竞价新增38种。
2024-11-29 09:49
第二届链博会聚焦发展新质生产力,新增先进制造链展区,从研发设计、新材料运用、关键零部件及加工、智能制造及高端装备等四个方面,展现全球先进制造领域从前端设计到终端产品应用的全产业链。
2024-11-29 09:48
持续打造服务农民生产生活和促进现代农业发展的综合平台,当好党和政府密切联系农民群众的桥梁纽带,奋力谱写供销合作事业高质量发展新篇章,为推进乡村全面振兴、加快建设农业强国作出更大贡献。
2024-11-29 09:47
根据规划,中国计划2025年完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星,开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星,2035年完成下一代北斗系统建设。
2024-11-29 09:35
在科技成果转移转化过程中,有一道看似难以跨越的鸿沟——科技人员通常不熟悉市场、经营和生产,企业经营者往往搞不懂前沿科技。
2024-11-28 02:50
在光通信系统中,硅基调制器是信息传输与处理的关键一环,是整个电光信息转换的“心脏”——信息经过这个枢纽来去、流转,高效搭上光的“顺风车”,奔赴不同目的地。
2024-11-28 02:50
加载更多