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

  • 欣欣,你在哪里——缅甸地震中国力量救援纪实

  • 现场视频!解放军台岛周边开展联合演训

独家策划

推荐阅读
近期,多地智慧农业建设传来佳绩,草莓巡检机器人、长臂喷雾机等打破了大众对农业的传统印象,数据要素在助力乡村全面振兴中正发挥越来越重要的作用。推动农村电商发展,支持农村电商平台建设,帮助农民通过电商渠道销售农产品;利用数据分析市场需求,打造电商特色品牌,提高农产品竞争力。
2025-04-02 10:07
2月19日,凌晨3时的机房,敲完最后一行代码,中国海油所属中海油田服务股份有限公司(以下简称“中海油服”)深海深层地震数据成像处理技术研发团队负责人刘金朋如释重负。物探船作业时,利用拖缆产生地震波,对海底地层进行“CT扫描”,并实时完成震源和检波点数据采集。
2025-04-02 10:06
引力波被形象地比喻为“时空的涟漪”。为了更精准地认证透镜引力波,胡彬团队与宁波大学蔡荣根院士将目光瞄准宇宙中更为微小的尺度——星系中的致密天体。
2025-04-02 10:05
冰凌花能够早早绽放,成为东北“报春第一花”,是因为其特殊的生长节律和物候机制  草长莺飞,全国多地春意正浓。冰凌花还具有重要的生态价值,能为昆虫提供早春时节稀缺的花蜜和花粉,成为传粉昆虫不可或缺的食物来源。
2025-04-02 10:01
发挥新型举国体制优势,前瞻规划、协同发力、接续攻坚,中国创新将在“一张蓝图绘到底”中破浪前行  作为尖端科技的代表,芯片是我国受外部冲击较大的领域之一。发挥新型举国体制优势,前瞻规划、协同发力、接续攻坚,中国创新将在“一张蓝图绘到底”中破浪前行。
2025-04-02 10:00
3月30日,2025中国网络媒体论坛“坚持主流价值导向 推动算法向上向善”主题分享会在广西南宁举行。主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:46
目前全球6G研发已从概念探索进入关键技术攻关阶段,中国围绕2030年实现6G商用这一目标加速布局。
2025-04-01 09:50
AI医疗只是辅助手段。
2025-04-01 09:48
31日,在2025中关村论坛年会“重大科技成果发布活动”上,由北京金融监管局联合市科委、中关村管委会、市经济和信息化局、市委金融办共同指导,全国首个商业航天保险共保体组织——“北京商业航天保险共保体”正式发布,助力北京商业航天加速发展。
2025-04-01 09:47
3月31日,“南海二号”钻井平台在惠州19-6油田海域进行钻探作业。
2025-04-01 09:45
2025中关村论坛年会重大成果专场发布会31日举行,围绕“四个面向”发布19项重大科技成果,展现了我国在前沿科技引领、开源开放合作、创新驱动发展等方面的成效。
2025-04-01 09:41
现场发布2024中国正能量网络精品征集展播活动结果,与会领导为中国正能量十佳网络精品代表、突出贡献单位颁发荣誉证书和纪念牌。
2025-04-01 09:48
主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:47
今年以来,我国以DeepSeek为代表的大模型企业通过算法优化、有针对性的训练和开源生态协作,在使用“缩水版”GPU芯片的情况下,将千亿参数模型训练成本压缩至同类模型的1/10,走出了一条从粗放式算力堆砌向内生式效能提升的新路径。
2025-03-31 10:21
“联合科研团队初步确定,青龙山恐龙蛋化石普遍表现出特殊排列规律,如常见同层埋藏的恐龙蛋3至5枚一组排列成微微弯曲的弧线,多组弧线近平行展布。
2025-03-31 10:03
由西湖大学孵化的西湖仪器,日前成功实现12英寸碳化硅衬底激光剥离自动化解决方案,大幅降低损耗,提升加工速度,推进了碳化硅行业降本增效。
2025-03-31 10:02
日照两城河口国家湿地公园,一群绿头鸭在水面上自由飞翔。
2025-03-31 10:01
3月28至29日,作为2025中关村论坛年会的重要组成部分,中关村国际技术交易大会“全球高校科技成果转化促进大会”在北京工业大学举行。
2025-03-31 09:59
2025中关村论坛年会于3月27日至31日在北京举办,以“新质生产力与全球科技合作”为年度主题。其中将举办碳达峰碳中和科技、世界绿色设计等论坛,为新质生产力发展注入绿色动能。
2025-03-28 03:30
日前,我国自主研制的最大直径盾构机“沧渊号”成功下线,将承担世界最长公路水下盾构隧道——海太长江隧道工程左线掘进任务。大海古称“沧渊”,海太长江隧道横跨长江入海口,全长39.07公里,其中过江隧道长11.185公里,最大埋深超75米,计划于2028年建成。“沧渊号”开挖直径达16.66米,整机总长176米,总重量超5650吨,再创国产超大直径盾构机新纪录。
2025-03-28 04:00
加载更多