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“钢铁侠”埃隆·马斯克喊你来看“脑机”啦!—— Visikol应用之序幕篇

发布日期:2020/12/21 16:50:10

何谓脑-机

脑-机接口(brain–computer interface,BCI),有时也称为神经控制接口(neural control interface,NCI),心-机接口(mind–machine interface ,MMI),直接神经接口(direct neural interface  ,DNI)或头-机接口(brain–machine interface ,BMI),是可增强或连接人和动物脑,或者脑细胞的培养物)与外部设备之间的直接通信途径,通过前者发出的信号来控制后者,实现脑与设备的信息交换。


各国脑计划

自2013年美国宣布创新性神经技术大脑研究计划(Brain Research through Advancing InnovativeNeurotechnologies (BRAIN) Initiative)后,世界各国开始迅速加入到脑机这一新兴技术潮流中:同年欧盟推出了由欧洲15国参与的人类脑计划(Human Brain Project);2014年日本发起了大脑研究计划(Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies forDisease Studies, Brain/MINDS);我国则提出了15年(2016-2030)“一体两翼”结构的中国脑计划,即以脑认知功能的解析和技术平台为一体,以认知障碍相关重大脑疾病诊治和类脑计算与脑机智能技术为两翼的“一体两翼”研究布局。再加上特斯拉,“现实版钢铁侠”埃隆·马斯克(Elon Mask)也加入了这一领域,在2017年就创办了脑机接口公司Neuralink。就如2020浦江创新论坛发布《全球前沿技术发展趋势报告》中的主要结论,脑机接口领域技术爆发期已然到来,未来脑机接口领域将会得到更大重视。

(图片来源:tps://www.huxiu.com/article/378954.html?f=rss)



脑-机接口研究及应用

“脑机”这一概念其实早已有之,但是直到上世纪的九十年代以后,才逐渐开始有阶段性成果。尤其是1999年7月,当时刚刚发行的《Nature Neuroscience》杂志上发表的一篇题为“Real-time control of a robot arm usingsimultaneously recorded neurons in the motor cortex”(利用运动皮层中同时记录的神经元实时控制机械臂)的文章,正式启动了脑机接口领域的研究,并在当时的神经科学界引起了重大轰动(Chapin J K. et al.,1999)。但是实际上,脑机接口这个名词是在2001年才出现的(Nicolelis M A L,2001),就是由上文作者、脑机接口研究先驱——巴西籍神经生物学家、美国杜克大学医学院神经科学教授米格尔·尼可莱利斯(Miguel Nicolelis)在为《Nature》杂志撰写的一篇题为“Actionsfrom thoughts”的评论文章中提出来的。由此便正式拉开了连“现实版钢铁侠”埃隆·马斯克都为之疯狂的脑机接口这一新兴技术研究领域的序幕。

(图片来源:https://www.analyticsinsight.net/everything-must-know-brain-machine-interface/)



2008年,由宾夕法尼亚州匹兹堡大学匹兹堡大学神经生物学家安德鲁·施瓦茨(Andrew Schwartz)带领的研究团队,利用创造的脑机接口可以被猴子用来操纵机械臂给自己喂食。一只猴子成功地使用机械臂从位于不同位置的固定针上抓起棉花糖。手臂被设计成以"逼真的方式"移动,肩部运动范围一次,肘部只向一个方向移动,一个简单的爪握来模拟抓手。这项工作可用于今后开发更实用的神经假肢设备,而这种装置有一天可以帮助瘫痪的人操作假肢,使他们能够吃,喝或使用其他用具。




2014年世界杯在巴西圣保罗举行,全球成千上万人齐聚一堂。除了预期的盛况和桑巴舞外,还展示了相当令人印象深刻的脑机接口这一科学成就。由米格尔·尼可莱利斯主导发明基于脑机接口技术的“机械战甲”,帮助28岁的截瘫青年朱利亚诺·平托(Juliano Pinto)为当届世界杯开球。身穿“机械战甲”的平托成功开球后,电视转播解说员激动不已:“平托行走的一小步,脑机接口技术发展的一大步。”


而就在2020年8月29日,埃隆·马斯克展示了自己旗下的脑机接口公司Neuralink神经元读取脑植入物,并宣布该系统作为实验性医疗设备得到了美国食品和药物管理局(FDA)的初步批准。发布会上还向全世界展示了“三只小猪”:其中一头猪处于自然状态,作为对照;第二头猪被植入了脑机接口芯片,但已经被切除了,表明手术可以安全逆转;第三头猪名叫格特鲁德(Gertrude),在展示的2个月前被植入芯片,芯片与鼻子中的神经元相连。当格特鲁德吃或者嗅地面时,猪鼻子里的神经触发了由芯片收集到的电脉冲,此时转化为了一系列爵士乐的电子蜂鸣声通过音响系统开始播放,同步显示的图像表明神经活动的实时信号。


埃隆·马斯克当天还展示了新的Neuralink芯片LinkV0.9以及植入芯片的手术机器人,单个芯片设备支持1024个通道,植入佩戴者可以使用智能手机应用程序和蓝牙连接来控制设备,该设备可监控温度、压力等参数。手术机器人可以准确的切除一小块头骨,植入芯片,使用医用胶水黏合,而不损伤精细的大脑结构,并避免损伤血管。Neuralink的初目标是帮助瘫痪的人通过控制电脑和移动设备重获独立。目前这项技术有潜力治疗广泛的各种脑部疾病,如帕金森病、癫痫和抑郁症,恢复感觉和运动功能,并最终扩展交互方式,允许未来的人类控制外部设备,他们的头脑,传递思想直接到别人的大脑,甚至增加认知能力,如增加智力和记忆。

(图片来源:https://www.geekwire.com/2020/three-little-pigs-help-elon-musk-demonstrate-neuralinks-brain-implant/)


下篇预告

说了老半天都还没走到我们Visikol的正题上,实际上脑机接口技术这种极其复杂的科学研究,在正式走进人类生活前,所涉及的大量前期实验,不仅存在大量的在体/活体实验,也需要一定量的离体组织、器官实验。若提及组织3D成像,就不得不提透明化技术,结合荧光成像可将组织转换为三维数据,以进行复杂的定量组织学研究。

就在近期,Visikol成为了Scientist.com VIP计划的成员,Scientist.com是人工智能支持的医学研究市场。经过研发的Visikol组织透明化系列,是一种商业化,易于使用,无损且快速的组织透明化技术。借助Visikol HISTO,可以通过将组织透明化与荧光蛋白和/或免疫荧光配对来轻松地以3D形式对生物组织进行可视化研究。


(图片来源:https://visikol.com/)




在下期的介绍中,我们将介绍宾夕法尼亚卡伦大学的D. Kacy CullenCullen在脑机接口研究中利用组织工程学方法制备“活的电极”:可生物降解的管包装轴突,其中长的纤维可以传递从一个神经元到另一个的信号。以及在组织学研究方法中采用Visikol透明化,结合荧光标记以观察神经元。以下部分剧透:左图不停闪动的是光刺激实验和右图是植入一个月后的“活的电极”中的神经元,敬请期待哦!

(图片来源:Adewole, D. O., et al. 2020. bioRxiv doi: doi.org/10.1101/333526)



参考来源:


1、Brain–computer Interface. Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface [引用日期.2020-12-12]
2、脑机接口. 维基百科. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%84%91%E6%9C%BA%E6%8E%A5%E5%8F%A3[引用日期.2020-12-12]
3、世界各国脑科学计划. 搜狐网. https://www.sohu.com/a/137469782_614807[引用日期.2020-12-12]
4、让马斯克疯狂的脑机接口究竟是什么?虎嗅网. https://www.huxiu.com/article/378954.html?f=rss[引用日期.2020-12-12]
5、全球前沿技术趋势:脑机接口、软体机器人、基因编辑等在列.国家自然科学基金委员会科学传播与成果转化中心.http://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20289/55189/index.html
6、马斯克活猪脑机接口试验成功!多芯片植入,硬币大小,实时读取脑电波.量子位.https://www.qbitai.com/2020/08/17988.html[引用日期.2020-12-13]
7、Elon Musk’s neurosciencestartup unveils pig with computer chip in brain. Global NEWS. https://globalnews.ca/video/7305380/elon-musks-neuroscience-startup-unveils-pig-with-computer-chip-in-brain[引用日期.2020-12-13]
8、With Elon Musk’s help, ‘ThreeLittle Pigs’ demonstrate Neuralink’s brain implant. GeekWire.https://www.geekwire.com/2020/three-little-pigs-help-elon-musk-demonstrate-neuralinks-brain-implant/[引用日期.2020-12-13]
9、What to Know About Neuralink, Elon Musk’s Brain-Computer InterfaceProject. Microsoft News.https://www.msn.com/en-us/news/technology/what-to-know-about-neuralink-elon-musk-s-brain-computer-interface-project/ar-BB18k8XW[引用日期.2020-12-13]
10、Chapin J K , Moxon K A , Markowitz R S , et al. Real-time controlof a robot arm using simultaneously recorded neurons in the motor cortex.[J].Nature Neuroence, 1999, 2(7):664.
11、Nicolelis M A L . Actions from thoughts.[J]. Nature, 2001,409(6818):403-7.
12、Adewole, D. O., Struzyna, L. A., Harris, J. P., Nemes, A. D., Burrell,J. C., Petrov, D., et al. (2020). Development of Optically-Controlled“Living Electrodes” with Long-Projecting Axon Tracts for a SynapticBrain-Machine Interface. bioRxiv doi: doi.org/10.1101/333526




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