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48、但还不能向大脑写入新知识 ...
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但由于神经科学对复杂运动序列的编码还不够清楚,无法通过神经调控的方法让被试产生新的复杂运动序列(譬如某个新的舞蹈动作)。类似地,目前我们对陈述性记忆的编码也不了解,因此我们也不能向大脑写入新的知识。所以说,要实现神经调控在应用上的突破,很大程度上依赖于我们对认知过程神经编码的理解。
此外,深部脑刺激有效地治疗脑疾病,譬如帕金森病(如下图所示,来源:Deep Brain Stimulation for Parkinson's Disease)、以及最近报道的重度抑郁症(Scangos et al., 2021, Nature Medicine[8])。但DBS治疗疾病的机制还不甚清楚,能否有效治疗其它神经或精神疾病仍是未知之数。
使用深部脑刺激(DBS)治疗的帕金森病患者前后对比
虽然电刺激是最直接的调控方法(因为神经元信号本身就是电信号),但它不够精准,一个电刺激下来,电极周围的神经元都会被激活,而且抑制方法是简单粗暴的把神经元电死的大电流。。。而目前已经在小动物上大获成功的光遗传(optogenetics)技术则可以通过分子标记物找到特定的神经元,从而在目标神经元上表达光敏感通道蛋白(可以是单种激活或抑制的通道蛋白,也可以同时表达激活和抑制的两类通道蛋白),之后只要向神经元照射特定波长的激光就可以激活或抑制目标神经元。
非侵入式的神经调控方法则有经颅磁刺激(TMS)、经颅直流电刺激(tDCS),但它们只能无差别地刺激一大片脑区。。因此,要在正常人上使用神经调控,还需要有新的思路开发新型的调控技术。跟神经记录技术类似,神经调控技术的发展依赖于纳米科学、材料科学与工程技术上的进步。
(4)神经假体
脑机接口领域还会经常提到一个概念——神经假体(neuroprosthetics)。顾名思义,它是指需要接入神经系统的、用于替代因受伤或疾病等原因而受损的运动、感觉或认知器官的设备。这意味着神经假体必须含有神经接口,譬如“神经接口+机械手臂”才算是手臂的神经假体,机械手臂本身不算。
已经被广泛使用的神经假体莫过于人工耳蜗,它替代了外周听觉器官(鼓膜、镫骨和耳蜗等)的功能,将麦克风收集并处理的声音转化为微电极阵列的电刺激,直接刺激听觉神经。
此外,替换外周感觉器官的神经假体还有人工视网膜(见下图,Gu et al., 2020, Nature[9])和人造电子皮肤(Tee et al., 2015, Science[10])等,甚至也有替换脑区的神经假体,如海马记忆假体(Deadwyler et al., 2013, FiSN[11])。随着类脑芯片技术的成熟,神经假体会与神经系统进行更加深度的融合。
(5)建议
综上所述,脑机接口的能否商业化应用不仅依赖于应用科学(材料、算法等)上的进步,还需要依赖基础科学(神经原理等)的进步。
如果你想尽快实现脑机接口的商业化,那么选择目前较为成熟的感觉与运动领域,并且研究优化神经信号记录技术、解码算法、神经调控技术、神经假体的工科专业(如生物医学工程、神经工程、纳米科学、材料科学、人机交互)可能很适合你。
如果你致力于扩展脑机接口的应用边界,将其应用到高级认知和脑疾病,那么深耕基础神经科学(分子、细胞、发育、认知、系统、计算)研究认知过程和脑疾病的神经机制可能更适合你。
下面列出的大学与研究组来自之前的文章,供参考~ 这是前面答主们提供的信息的扩充,感谢前面的答主,respect!
实验室 | 有哪些研究脑机接口的实验室和公司?
1 | 美国(90+研究组)
杜克大学(Duke,4个研究组)
Miguel Nicolelis (人类、猴子躯体运动与脑机接口;2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者、《脑机穿越》 作者;总被引数34k+)
Dennis Alan Turner (帕金森病、阿尔茨海默病的自适应深部脑刺激和基因治疗,抑郁症的深部脑刺激,感觉恢复的脑机接口,癫痫发作机制;总被引数11k+)
Jonathan Viventi (高分辨率、大面积的柔性脑机接口,癫痫的诊断和治疗;总被引数5k+)
Leslie M. Collins (基于物理的统计信号处理、地下传感、听觉假体和模式识别;总被引数5k+)
加州理工学院(CalTech,2个研究组)
Richard Andersen (人类、猴子躯体运动与脑机接口,运动意图,运动规划,感官引导运动的坐标转换;总被引数46k+)
Joel W. Burdick (机器人运动、基于传感器的运动规划算法、多指机器人操作、应用非线性控制理论、神经假体和机器人的医学应用;总被引数10k+)
匹兹堡大学(Pitt,12个研究组)
Andrew Schwartz (运动控制、脑机接口;猕猴;电极阵列;总被引数18k+)
Michael Boninger(辅助技术、生物力学、神经假肢、脊髓损伤、轮椅、再生医学、教学研究;总被引数15k+)
Aaron Batista (神经假体,感觉-运动整合;猕猴;电生理;总被引数5.5k+)
Jennifer L. Collinger(脑机接口、脊髓损伤、神经康复、辅助技术、神经假体;总被引数4.7k+)
George F. Wittenberg(神经康复,运动控制,经颅磁刺激,功能成像,中风,运动障碍,神经网络建模;总被引数4.4k+)
Marco Capogrosso(神经修复学、电刺激计算机模型、手臂麻痹、脊髓损伤、脑机接口、运动控制;总被引数3.5k+)
Robert Gaunt(神经假体、感觉运动、功能性电刺激、脊髓损伤、膀胱功能障碍;总被引数1.7k+)
Lee Fisher(神经假体,体感功能,脊髓损伤,截肢,平衡控制;总被引数0.8k+)
Elvira Pirondini(中风,运动控制,本体感觉,fMRI,EEG,生物标志物;总被引数0.8k+)
Mike Urbin(中风,脊髓损伤,电生理学,纤维束成像,神经调节;总被引数0.5k+)
Lynn Worobey(脊髓损伤,辅助技术,干预训练计划,活动监测;总被引数0.3k+)
Amit Sethi(运动控制,中风,神经可塑性,神经康复;总被引数0.1k+)
布朗大学(Brown,4个研究组)
John Donoghue (BrainGate发明者之一,脑机接口,运动规划;总被引数28k+)
Arto V Nurmikko(侵入式脑机接口,激光科学,纳米光子学,神经工程;总被引数22k+)
Leigh R Hochberg(BrainGate发明者之一,脑机接口,瘫痪,中风,脊髓损伤;总被引数13k+)
David A. Borton(感觉修复、运动控制、脑机接口;猕猴;电生理;总被引数1k+)
斯坦福大学(Stanford,11个研究组)
Zhenan Bao(鲍哲南;皮肤启发电子器件与设备,神经界面;总被引数132k+)
Krishna V. Shenoy (人类、猴子运动控制与脑机接口;总被引数19k+)
Guosong Hong(洪国松;柔性电极,可注射纳米天线和射频发生器,红外光遗传,循环内部光源,机械发光材料,固态陶瓷磷光体;总被引数19k+)
Jaimie Henderson (深部脑刺激,脑机接口,开发治疗运动障碍、癫痫、疼痛等脑疾病的新型神经调节技术;总被引数14k+)
Corinna Darian-Smith (运动控制、损伤后代偿/适应;猕猴;电生理;总被引数2k+)
Paul Nuyujukian (运动控制,脑机接口;总被引数5k+)
E.J. Chichilnisky (人工视网膜;总被引数9k+)
Boris Murmann (模数接口及其计算后端,传感器、高速有线和RF 收发器,用于数据压缩接口和嵌入式机器学习的系统驱动电路设计;总被引数8k+)
Daniel Palanker (电神经接口,光学成像和光谱学,激光与组织的相互作用,视网膜可塑性;总被引数6k+)
Kwabena Boahen (神经形态芯片及其算法设计;总被引数8k+)
Nicholas A. Melosh (工程单元接口,脑机接口,金刚石和金刚石材料,能量和电子转移;总被引数7k+)
加州大学旧金山分校(UCSF,2个研究组)
Edward chang (人类语音、运动与认知;总被引数25k+)
Philip N. Sabes (猴子运动控制;总被引数3k+)
华盛顿大学(UW,14个研究组)
Jeffrey Ojemann (脑机接口,学习机制、触觉反馈,递归刺激,手部运动的皮层表征,认知动力学,语言、大脑区域之间的高阶非线性相互作用以及这些现象如何随年龄变化,整合 ECoG 和 fMRI,颞叶癫痫;总被引数22.6k+)