脑机融合系统在生物医学影像中的应用

2021-02-09 15:04:33 浏览:219

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1 脑机融合系统简介

脑机融合系统是生物体与机器之间交互而生的统一整体,具有双向互生的特征(图1)。生物医学影像技术的发展为脑机融合系统提供了更多可用的信号源,不断拓展其适用性。大脑是人类智能以及生物体中实现智能控制的核心,通过生物医学影像技术充分了解大脑工作的原理并与机器偶合,不仅可实现通过大脑的信息控制机器实现众多场景下的应用,同时可用机器来调控大脑且利用大脑的原理不断创新和优化生物医学影像技术,如新的计算方法的研发、尤其是类似人脑的机器学习的算法,以及各种智能体、机器人等,被认为是未来时代的科技。

 

图1 脑机融合系统示意图

基于多模态生物医学影像信息的脑机融合技术将是未来推动社会发展的一项极为重要的关键技术,对国家的发展和人民的健康具有重要意义,已经成为了全球各国科技竞争的战略高地。

首先,脑机融合系统是健康生活的需要。随着现代社会的不断发展以及工作压力的逐步增加,世界范围内的神经疾病的发病率逐步提高(图2)。WHO的调查表明,目前精神类疾病平均占据了伤残所致生命年损失总数的20%以上,它已经成为亚太地区第二大健康问题。哈佛大学的一项研究估计,在2012年到2030年期间,精神类疾病将导致中国和印度的生产力降低分别逾9万亿美元和逾2万亿美元。然而目前治疗情况更加令人担忧。我国有92%的严重精神疾病患者没有接受治疗,与发达国家精神疾病的治疗差距通常高于50%。因而,发展脑机融合技术,了解到大脑特定部位的功能,有助于提高脑部疾病诊断的正确性,从而进行有针对性的治疗。

 

图 2 世界范围内神经疾病发病趋势

其次,脑机融合技术是市场发展所需。脑机融合系统具有千亿美元的市场规模,是未来经济发展的新增长点。横向上(图3),脑机融合系统具有广阔的应用领域:(1)大健康领域的应用涉及智能义肢、康复训练、认知障碍以及精神类疾病的治疗与康复;(2)生活服务领域的应用涉及教育、体育、交通、游戏娱乐以及军民融合等;(3)工业生产领域的应用涉及救灾、工业机器人等;(4)特殊领域涉及军事、航空航天等。纵向上(图4),市场对以神经技术为主体的脑机融合系统的需求将快速增加。

 

图 3 脑机融合系统具有广阔的应用领域并具有千亿美元的市场规模

 

图 4 神经技术市场规模(2017-2035)

2 脑机融合技术路线

(一)脑机融合系统的工作模式

脑机融合系统一般主要包含4个组成部分:脑信息采集部分、信号处理部分、设备控制部分和信息反馈部分。

(二) 脑信息采集

脑信息采集通常是根据“侵入性”被分为:非侵入式(脑外)、侵入式和半侵入式。

① 非侵入式

是指无需通过侵入大脑,只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录何解读。这种技术虽然避免了昂贵和危险的手术,但是由于颅骨对于大脑信号的衰减作用,以及对于神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,使得记录到的信号强度和分辨率并不高,很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。典型的非侵入式系统有脑电图(EEG)。

② 侵入式

是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层,这样可以获得高质量的神经信号,但是却存在着较高的安全风险和成本。另外,由于异物侵入,可能会引发免疫反应和愈伤组织(疤痕组织),导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。典型的侵入式系统有深部脑刺激(DBS)。

③ 半侵入式

是指将采集电极等植入到颅腔内,但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图(ECoG)进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式,但是却优于非侵入式,同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。

(三) 信号处理

信号处理部分一般包括预处理、特征提取、特征分类3个环节,即信号的解码。信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、空域特征提取、频域特征提取、时域特征提取、P300信号分析、小波分析+奇异值分解、基于机器学习的特征分类、基于深度学习的特征分类等。

(四) 设备控制

将处理后的信号进行再编码,用以驱动或控制采集设备、外部设备以及其它生物体等。

(五) 信息反馈

根据信息的变化模式对采集设备或生物体本身进行输入,以提高系统内部的适应性或脑机融合系统的整体优化与进化。

3 脑机融合系统信号源

3.1  电信号

(一) 脑电图(Electroencephalogram, EEG)

脑电图是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法,借助于金属电极从颅外头皮表面引导的可记录到的皮层自发电位。大脑在活动时,大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。脑电图记录大脑活动时的电变化,是脑细胞群的自发性、节律性电活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑电图具有无损探测和时间分辨率高等优点,一直是脑科学研究和脑疾病诊断中的重要方法,尤其体现在癫痫诊断和治疗中,是其最重要的一项检查工具,尽管高分辨率的解剖和功能影像学在不断的发展,但在癫痫的诊治中EEG始终是其他检测方法所不可替代的。

(二) 皮层脑电图(electrocorticography, ECoG)

皮层脑电图涉及到通过外科手术将电极植入大脑表面来记录电活动,电极直接植入到大脑皮层上,硬脑膜下的区域。相对于EEG传感器,ECoG传感器具有更好的空间分辨率,能够准确检测脑电图电极不可见的高频脑活动。电极一旦植入,就可以准备用于BCI或其他任务,而无需在每次使用前进行准备。

(三) 单神经元动作电位发放(Spikes)

通过外科手术植入大脑深度电极(Depth electrode)或微电极阵列(multi-electrode array, MEA)在单神经元活动分辨率水平记录来自一小群神经元的活动,在单细胞水平对大脑活动进行分析。

(四) 脑深部电刺激(deep brain stimulation, DBS)

脑深部电刺激通过植入大脑中的电极发放高频电刺激到相关神经核团,干扰异常神经电活动,将紊乱的神经递质或环路恢复到相对正常的功能状态。

3.2  磁信号

(一) 脑磁图(Magnetoencephalography, MEG)

脑磁图是一种利用超导量子干涉仪(SQUID)来测量大脑活动产生的磁场的技术。大脑中神经元突触的离子电流流入其他神经元树突会产生净效应,这些电流会产生一个正交磁场(由麦克斯韦方程决定),通过测量脑内神经电活动在颅外产生的极其微弱磁场信号,能够以无创的方式,实时探测脑内神经活动过程,使人类研究大脑的复杂功能、治疗脑部疾病的能力达到了前所未有的境界。

(二) 功能磁共振成像(fMRI)

功能性磁共振成像以非侵入性的方法测量神经元活动所引发之血液动力的改变,通过检测在执行具体任务时特定脑区中由于神经元活动的增强而产生的血流量变化来间接测量大脑中的神经元活动。神经活动需要增加局部血流量来供应更多的氧,局部增强的血流使血氧浓度对比(Blood oxygen-level dependent, BOLD)发生改变,并使有效的T2增加,从而实现实时跟踪信号的改变。

(三) 经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)

经颅磁刺激利用高强度线圈产生快速变化的磁场脉冲穿过受试者的头皮和颅骨作用于大脑皮层,改变皮层神经细胞的膜电位,使之产生感应电流,影响脑内代谢和神经电活动,是一种兴奋或抑制大脑神经元的无创方法,整个过程无创,无痛。

3.3  声信号

(一) 功能超声(functional ultrasound, fUS)

功能超声是一种全新的脑功能成像技术,相比功能磁共振成像具有更高的空间分辨率(fUS:100mm; fMRI:~500mm),可分析脑部更多的细微区域。fUS技术可记录自由活动的小动物,具有更高的时空分辨率,更轻便的设备体积,更高的电磁兼容性,更经济的价格和更低的使用门槛,是脑科学研究领域又一革命性的新技术,将脑功能成像引入到了更广泛的基础研究领域,结合分子、细胞、环路水平的研究手段,建立从离体到整体,从微观到宏观的桥梁。

(二) 经颅聚焦超声(tcFUS: transcranial focused ultrasound)

经颅聚焦超声是一项面向脑部疾病的无创超声治疗技术。通过外部超声设备发射特定中心频率的超声波(目前最广泛采用的是中心频率在0.2~1.5 MHz之间的超声波),超声波在穿过颅骨后聚焦在颅内的目标病灶靶区并在目标病灶靶区产生热效应、力效应和空化效应等,从而实现对颅内病灶区域的直接或者间接的调控和治疗。

3.4  光信号

(一) 功能近红外光谱成像(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)

功能近红外光谱成像利用血液的主要成分对600-900nm近红外光良好的散射性,从而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况,具有造价较低、便携性好、无噪音、无创性和对实验过程中被试动作不会过份敏感等优点,同时存在空间分辨率不高和校正算法有待进一步完善等方面的不足。

(二) 正电子发射断层成像(positron emission tomography, PET)

正电子发射断层成像通过体内注入放射性示踪剂,进入脑部,在体外测量正电子湮没射线而获得断层图像,从而通过测量带放射性标记和代谢活跃的化合物放射量,检测代谢活动实现间接无侵入性测量大脑活动。

(三) 钙成像(calcium imaging)

钙成像利用生物样本中钙离子荧光指示剂荧光强度的变化来监测组织内钙离子浓度,从而监测神经元活动状态的方法。

(四) 特定波长的激光

4 脑机融合系统的国内外发展趋势

生物医学成像技术和设备是基础生物学研究和临床医学最重要的工具,特别是对于国际上生物医学现阶段的核心竞争领域如脑科学而言,其重要性不言而喻。

美国早在1989年率先提出全国性的脑科学计划,把本世纪最后10年命名为“脑的10年”,并于2013年启动的脑计划(BRAIN Initiative)在2016年转为技术开发为主导,其全称为“创新神经技术驱动的脑研究”,建议10年内投入总经费45亿美元,目标雄心勃勃。计划中明确提出前5-6年专注发展相关技术,特别是成像技术,实现神经网络和神经信号的可视化。

欧盟的人类脑计划(Human Brain Project,HBP)亦于2013年启动,由欧盟政府牵头,26个国家的135个合作机构参与,预期10年投入13亿欧元,开发信息和通信技术平台,致力于神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态的计算和神经机器人研究,希望能制造出科学史上第一台会“思考”的机器。其侧重于通过超级计算机技术来模拟脑功能,以实现人工智能,并将这一“人类脑计划”项目立为“未来新兴技术旗舰项目”。

日本的脑/思维计划Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies) 于2014年9月11日由日本科学省宣布,主要是通过对狨猴大脑的研究来加快人类大脑疾病,如老年性痴呆、帕金森病和精神分裂症的研究。其核心任务是制造出转基因狨猴,利用这种动物模型研究人类的认知功能,并开展相关疾病研究。

韩国政府在2016年Google AlphaGo与韩国围棋大师李世石结束世纪对决后,就宣布了一项总投资约8.4亿美金的专项方案,用于加速人工智能产业。未来创造科学部2016年5月30日发布《大脑科学发展战略》,首先表明将在2023年之前构建出大脑地图,即将大脑的构造与功能相联系并实现数字化与视觉化的数据库。通过大脑地图可以更便捷的了解到大脑特定部位的变化,有助于提高脑部疾病诊断的正确性,从而进行有针对性的治疗。在此基础上,将进一步开发针对不同年龄层人群的大脑疾病研究项目。在老年痴呆、帕金森病等老年脑部疾病,忧郁症、成瘾症等青年心理障碍疾病,特别将在研究水平较低的自闭症与大脑发育障碍等儿童青少年疾病方面加大研究力度。此外,韩国未来创造科学部还将利用大脑地图进行机械臂控制技术等多种技术开发,以人类大脑的运作原理为基础促进人工智能技术的研究。韩国未来创造科学部预计,在未来十年内脑研究方面财政总投入将达到3400亿韩元(约合人民币18.7亿元)。目前,韩国大脑科学技术发展水平仅达到脑研究发达国家的72%。计划到2023年提升至90%,以确保一定的技术竞争力,发展成为脑研究新兴强国。

中国脑计划是在全球兴起的大型脑科学计划潮流中,继欧盟的人类脑计划、美国的大脑计划以及日本的脑/思维计划后的又一重要脑计划项目。与其他的脑计划项目相比,中国脑计划在本质上更加广泛,它包括对于认知功能的神经基础进行探索的基础研究,也包括建立脑疾病诊断与干预方法的应用研究,还包括用脑科学来启发计算方法与设备的开发。中国脑计划的目标在于推动我们对大脑基本规律的理解,同时利用神经科学的基础研究成果来满足一些紧迫的社会需求,比如人民脑健康的改善与新技术的发展。

未来10年,我国会大力支持脑科学的研究。2030国家“脑科学与类脑研究”创新重大项目的主要内容是“一体两翼”。“一体”是指这个项目的主体是做基础研究,做脑认知功能的神经基础。我们不仅要知道大脑的神经环路,知道它的功能,也要知道大脑的神经环路是怎么发育出来的。在这个基础研究的主体之外还有“两翼”。“一翼”是指一边希望能够研发出各种脑机接口,比如说用大脑的信息如何控制机器,如何用机器调控大脑的信息,还希望能够研发出新的计算方法,人工智能里面机器学习的方法是关键,希望能够研发出类似人脑的机器学习的算法,还有各种类似人的神经元、神经网络的器件,各种智能体、机器人等等。另外的“一翼”就是脑疾病,就是基于认知功能基础研究的成果,对很多和认知相关的重大脑疾病,我们可以早期诊断,在还没有发病之前,能够发现有各种指标,及早干预脑疾病的进程。像退行性的疾病,这类病越到后期就越难治,越早发现这个疾病,早期干预是最好的治疗模式。这也需要建立很多关于临床社区的队列,收集人群队列的大数据。所以整个中国的脑计划研究,在这“一翼”的出口就是健康产业,这对于各种医疗器件的产业发展也会有很大的好处。

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