脑机接口的物理学

<正>西德尼·珀科维兹深入浅出地介绍研究人员为研发更安全、更耐用、惠及更多人群的脑机接口所做的诸多前沿工作。人类大脑是一种复杂到惊人的机器。人类大脑皮层拥有800多亿个神经元,每个神经元又有1000个突触。我们的大脑每秒大约要处理100兆比特的信息。想象一下,要是在我们思考的时候,尝试实时测量、提取并解释我们大脑中的所有信号,会是什么场景？记录大脑曾经只是科幻小说和电影——比如《X战警》（X-Men）和《黑客帝国》（The Matrix）——才有的情节,但现在,我们真的有可能把大脑同计算机连在一起,并且通过这种系统控制机械手臂,或者把你脑海中的想法记录下来。     

脑机接口——脑信息读取与脑活动调控技术

脑机接口(brain-computer interface, BCI)技术通过建立大脑与外部设备之间直接的信息交流和信号控制通道,实现脑思维活动与外界通信和交互作用,从而进行脑信息读取、外部执行设备的控制,以及脑活动的调整和控制.脑机接口是一种多学科融合的交叉技术,涉及神经科学、计算机科学、通信与信息处理技术、人工智能技术等,展现了广阔的发展和应用前景,包括医疗与康复、科学与教育、自动驾驶、工业控制等.同时,脑机接口技术的发展和应用面临重要的技术以及法律和伦理方面的挑战.本文简要介绍脑机接口技术的基本原理和组成,从信号获取、神经解码和认知脑机接口等关键技术角度阐述了国内外研究现状:从技术角度,讨论了脑机接口技术面临生物兼容性、通信速率、信号获取和处理、神经解码、安全等方面的挑战;从伦理和法制角度,指出该技术面临隐私、自由意志、身份认同和社会公平等方面的挑战.最后,展望了脑机接口技术未来的研究方向和应用前景.     

脑机接口新突破：瘫痪人士可用意念写字了

正2021年5月12日,《自然》发布封面文章:斯坦福大学的科学家结合脑机接口与人工智能,创建了一套皮质内脑机接口系统,此系统可将大脑控制"手写"的神经活动破译为"笔迹",再把"笔迹"实时转化成电脑屏幕上的文本,从而帮助瘫痪人士实现超越物理限制的"脑写"。这一创举是科学界的首次。     

脑显象进展

阳电子发射断层摄影术(PEF)问世已有十余年。这种技术能安全地用于测定人体脑和其他器官的生理和生化功能.PET利用物体吸收阳电子后出现的湮没辐射的特性,真实地显示所选组织水平的放射核素的空间分布。此方法与定量组织放射自显影法同样有效,但是PET还具有无创伤性的优点,因此可以用于活体动物,包括人的研究。PET方法的复杂性在于常用的放射核素半衰期太短,~(15)O约为2分钟,~(13)N为13     

脑胶质瘤治疗进展

在老百姓心目中,“癌症”几乎就是“绝症”的同义词,而发生在脑子里的癌症就更可怕了。脑胶质瘤（俗称脑癌）就是长在大脑内的一种恶性程度很高的肿瘤。据国外统计,它占到了原发性中枢系统恶性肿瘤的70名。恶性胶质瘤的年发生率为0．00570。在美国,每年有超过14000新发病人被诊断为恶性胶质瘤。由于该疾病的发病机理目前仍不清楚,其治疗一直没有重大突破。研究对胶质瘤有效的治疗手段,是神经外科学的热点之一：     

脑功能理论的当代发展和前沿研究计划

21世纪以来,研究人员逐渐揭示出人脑前额叶特别是内侧前额叶的认知功能,脑内的社会镜像神经元系统以及默认网络.这些发现,扩展了20世纪关于经典特异神经通路和网状非特异系统的概念,认识到人脑含有4类机能解剖系统.除了并行协同工作的特异系统和网状系统外,人脑还有以180°相位差交替转换式活动的默认网络和社会认知网络.在所概括的4条神经信息处理机制中,由于自然脑进化的遗传保守性,人脑和动物脑共性大,而与电脑间存在本质差异.人脑功能的独特性体现为社会属性和生物属性高度融合的巨复杂性、四层次性及其包容性.本文简要介绍了脑连接组计划、脑活动图计划和中国脑计划,希望能引起人们关注人脑、动物脑和电脑的共性和本质差异,以便更正确地对待脑科学和人工智能领域的研究成果.     

心想事成的脑—机接口技术

用“思维”去踢球和拨打电话在一块约2米长的绿色地毯上,一只红色的机器狗虎虎威威地守着球门;而在另一侧,一只白色的机器狗动作麻利地越过阻挡它的纸杯,渐渐地接近球门。只见白色机器狗灵巧地躲过“守门员”红色机器狗,抽“脚”冷射,将球“踢”进了球门。令人惊奇的是,这场机器狗踢足球表演赛的“球艺”,是来自两名戴着特殊电极帽的学生用“思维”控制而导演的。原来,这是清华大学医学院神经工程研究所的专家们用他们研制成功的“脑-机接口”系统做的一项饶有趣味的演示。再来看用脑“拨打”电话的表演。你只要戴上一个被称为脑电电极的特…     

脑机相连,梦想成真

将大脑与电脑连接起来,听起来像是科幻小说里的情节,可是对于科学家来说,这种设想却正在渐渐成为现实,在不久的未来,＂脑机接口＂的设想将带来许多实用的人体修复技术……     

DARPA布局脑机接口技术

<正>通过电学、光学、声学、磁学和遗传学开发的脑机接口技术,尽管听起来有些疯狂,似乎并非不能实现。在埃隆·马斯克(Elon Musk)和美国国防高级研究计划局(DARPA)都在进入"半电子人"开发快车道时,我们知道,人脑与机器的结合——脑机接口(BMIs)即将实现看似不可能的事情。科幻小说里经常可以看到的脑机接口技术,在现实生活中当     

纳米结构及其自旋量子态调控的前沿进展

在纳米尺度上对物质的结构及其特性实行有效控制,是纳米器件研究中最重要的基础问题之一,其中认识和理解纳米结构单元,利用其结构特点可控制备人工纳米结构,从而调控其单分子自旋量子态,在纳米器件与量子调控中具有潜在的应用前景.     

打开思维之门的脑机接口技术

<正>人们将芯片植入大脑,使人脑与计算机相连,通过思维来操控外部世界,获得"超能力";实现人与人之间大脑的直接通信或思想交流;读取或改变人的记忆等场景不断出现在各种科幻作品中,被赋予了特殊而又神秘的魔力。如今,随着脑机接口(BCI)技术的快速发展,这些科幻场景不再是异想天开,有些已经走出实验室,进入临床应用,甚至未来将会成为我们日常生活的一部分。     

脑-肠肽的脑内功能

《脑-肠肽的脑内功能》就脑-肠肽在脑内的作用方式、脑-肠肽的脑内功能、血脑屏障与脑-肠肽的关系等内容作了介绍.脑-肠肽功能的研究目前正方兴未艾.全面阐明脑-肠肽的生理功能有助于深入认识机体正常调节系统,同时对临床许多疑难病症的发病机理的探讨有重要意义.     

人类互动脑-脑耦合的计算方法

人类互动的神经生理本质是个体脑与脑之间的相互关联,脑-脑耦合及脑间同步正是这种相互关联的具体体现.作为一种新的研究手段,超扫描能够揭示以往单脑研究无法揭示的信息,在探讨社会互动问题的神经机制方面具有重要价值.随着信号采集和数据分析方法的快速发展,超扫描研究正在经历从研究“离线”认知向研究真实社会互动,从严格控制的实验室...     

进军深海科学前沿——我国参与大洋钻探的进展

正1进入国际深海基础研究前沿1968年美国"格罗码·挑战者"深海钻探船首航墨西哥湾,开启了划时代的深海钻探计划(DSDP,1968～1983年).50年来,深海钻探计划历经国际大洋钻探计划(ODP,1985～2003年)、综合大洋钻探计划(IODP,2003～2013年)和当前的国际大洋发现计划(IODP,2013～2023年),成为地球科学领域迄今规模最大、影响最深的国际大科学计划,导致了地球科学一次又一次的重大突破,始终站在国际学术前沿.由于"文革"和科技投入不足的原因,我国迟至1998年才以参与成员身份(年付50万美元)加入ODP,开启了中     

焦虑的脑科学研究与临床应用进展

焦虑障碍是我国患病率最高的精神障碍,也是全球第六大致残原因.如何建立精准有效的个体化预防-诊断-治疗体系,成为当前亟须攻克的难题.焦虑障碍主要包括广泛性焦虑障碍(GAD)、惊恐障碍(PD)和社交焦虑障碍(SAD)的亚型;其发病机制和分型机制尚不清楚.本文系统综述了近年来临床焦虑障碍和亚临床焦虑的研究进展,特别是本团队的研究进展,重点从神经认知机制的理论模型和临床应用方面寻求新的见解和研究线索.基于经典认知模型、杏仁核和脑岛中心神经模型,以及静态脑网络模型,我们提出了动态焦虑脑网络模型:强调突显网络、执行控制网络、默认网络和感知网络之间的动态相互作用,这是情绪和认知控制交互作用的基础;网络间的神经振荡负责资源转换和信号同步;去甲肾上腺素系统,特别是蓝斑(LC)-去甲肾上腺素(NE)系统,通过神经递质调节上述过程.本文还总结了焦虑的诊断和预测指标,包括遗传特征、认知特征和神经生物标志物,特别强调了特异频段的神经振荡模式,以及动态脑网络连接,以预测个体化焦虑症状和其他精神疾病.通过在体脑成像、神经环路示踪技术、单细胞组学等技术,全面精准解析焦虑障碍的多维度发病机制,揭示国家一类创新药物GW1...     

星-机-地雷达遥感试验

近年来雷达数据的定标已引起广泛关注,雷达数据的反演及分类都直接依赖测量数据的精度,为了提供定量的散射测量值,必须进行外定标.目前常用的定标方法是采用点目标法,但是,采用点目标法定标存在一系列问题.例如,定标用点目标信号与背景比值要足够大,周围地表与定标体间的相干耦合作用也将导致误差.再者,大尺度的定标器制造过程可能出现几何变形.因此,利用分布式目标进行雷达数据定标是一种有效的方法.本次试验是在航天飞机成象雷达(SIR-C/X-SAR)过顶北京试验区时,进行机载合成孔径雷达(SAR)同步飞行试验,同时,地面进行车载散射计实时测量及地表参数实测,简称星—机—地雷达遥感试验。     

脑机融合,当梦想照进现实

<正>思考的电子化交流2020年8月28日,美国企业家埃隆·马斯克旗下的神经连接公司举办了一场大型发布会,会上展示了脑机接口技术在工程学上的新进展,公开了未来有望更便捷易用的自动植入手术设备,再次激发了人们对脑机接口技术的热情和期待。发布会的亮点在于实验动物从2019年夏天的大鼠变为小猪,后者与人类的相似度比前者更高。植入手术由一台专用机器人完成,植入物仅有硬币大小,全过程仅需一小时,并可当天出院。     

人-机-环境系统的总体分析方法

人-机-环境系统工程学的最大特点是,它不是孤立地去研究人、机、环境这三个要素,而是从系统的总体高度,将它们看成是一个相互作用、相互依存的超巨系统,并运用系统工程方法,使系统处于最优工作状态,那么,怎样才能实现人-机-环境系统的最优组     

人-机-环境系统工程学概论

现代科学技术的迅猛发展,各学科之间的相互交叉渗透,不断产生新的边缘科学。人-机-环境系统工程学就是在这种情况下应运而生的。陈信教授等撰写的(《人-机-环境系统工程学概论》一文,对这一学科的提出、研究范围以及与其他学科之间的关系和区别作了概括的介绍,使读者对此能有一个概略的了解。