医学故事.红蓝融合 中华医学会理事 神经外科教授
脑科学与人工智能的发展
一、背景
脑科学与人工智能的发展：脑科学与人工智能受到世界大国重视，中国将“脑计划”列为国家重点科研项目，美国和欧盟也分别投入大量资金进行相关研究，旨在探索大脑秘密、攻克大脑疾病，建立和发展人工智能技术。
脑机接口的关键技术突破：脑活动检测技术追求高精度、大范围、特异性、多模态和高时空分辨率无损检测；脑活动编解码技术致力于多模态信号融合和发展更高传输速率的无创脑机接口；脑活动调控技术力求实现高细胞特异性和多模态高效的无损刺激手段。
脑机接口的发展历史：从1924年Hansberger发现脑电波并发明EEG开始，脑机接口经历了多个重要阶段，包括1968年脑机接口的开端、1973年首次应用侵入式脑机接口、1977年首次提出BCI概念等。到2020年，中国在脑机接口领域取得了多项成果，如浙大二院对高位截瘫志愿者进行脑内植入实验、清华大学公布高位截瘫患者通过无线微创脑机接口实现意念控制的案例等。全球脑机接口市场规模有望在2027年达到38.5亿美元。
二、脑机接口技术
脑机接口的定义与作用：脑机接口通过记录和解读大脑信号，实现大脑和计算机之间直接通信，一方面可以帮助脑疾病患者康复（脑控），另一方面有望实现脑机融合智能（控脑）。
技术路线：包括信号采集、信号处理和控制输出与反馈三个步骤。信号采集获取用户大脑活动产生的信号；信号处理去除噪声、增强信号特征并提高分类准确率；控制输出与反馈将用户意图转化为控制信号，控制外部设备并反馈信号，实现脑与系统的闭环调控。
技术类型：根据脑电信号获取方式，分为非侵入式（EEG）、半侵入式（ECoG）和侵入式。非侵入式无需手术，但信号空间分辨率较差；半侵入式信号质量介于两者之间，手术风险较小；侵入式可获得高质量神经信号，但安全风险和成本较高。
临床康复应用：在运动康复方面，BCI技术可应用于脑卒中等运动功能康复，帮助患者恢复运动功能；在言语恢复方面，BCI是严重语言交流障碍者的重要技术手段，已实现较高的打字速度和准确率；在正向情绪训练方面，BCI技术可避免患者在康复治疗中产生抵触情绪，提高康复效果；在意识障碍康复方面，BCI技术可用于意识障碍患者的评估、诊断和预后，推动重大脑疾病的临床诊疗。
下一步发展：随着脑科学与人工智能的发展，脑机接口技术将在新质生产力领域备受瞩目。未来，脑机接口技术将在专利申请、人体试验、临床应用等方面取得更多进展，同时脑机接口产业链也将不断完善，包括上游的软硬件设备、中游的脑机接口产品和下游的应用领域。
三、脑网络连接与信息传送
大脑的信息传递方式：包括动作电位与轴突的信息传递、化学信使与突触的信息传递、神经肽与长范围信息传递。
脑网络与连接方式：局部连接是相对较近的神经元形成的网络；长距离连接连接左右两半球等广泛区域；小世界网络是一种高效的信息传递方式。
脑网络与脑连接的建立：基于MRI技术的功能磁共振成像（fMRI）通过测量脑血流变化检查功能连接；弥散张量成像（DTI）通过收集数据模拟水分子在白质纤维束的移动路径，确定大脑物理连接方式。
信息传送异常与疾病：癫痫、精神分裂症、重度抑郁症、网络游戏成瘾、帕金森病等疾病与脑网络信息传送异常有关。
四、量子与脑功能
当前面临的问题：大脑网络和信息传送具有复杂性，包括大量神经元、复杂的信息处理机制和许多功能不明的神经元网络。脑机接口技术面临信号采集和处理、解码算法和模型、信号稳定性和鲁棒性、技术成本和设备限制以及神经科学基础研究等问题。
研究展望：未来需要先行进行基础研究，以实现对人的思维意识的实时准确识别；在性能与应用之间寻求平衡，非侵入式脑电技术将向小型化、便携化等方向发展，侵入式脑机接口技术若能解决相关问题将在医疗健康领域快速发展；拓展更多应用场景，实现思维与计算机的完美对接。
