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以非手术方式通向脑机接口未来的六条路径
2019-05-22

  来自DARPA官网5月20日的消息,被选入DARPA下一代非外科神经技术(N3)项目的多个团队将寻求多种方法来开发与大脑通信的可穿戴接口。

项目背景

  过去的18年里,DARPA已验证了越来越复杂的神经技术,这些技术依靠手术植入的电极与中枢神经或周围的神经系统连接。DARPA也已证明了其在诸如对假肢的神经控制、假肢使用者的触觉恢复方面,在缓解如抑郁症、改善记忆形成和回忆等其他难以治愈的神经、精神疾病方面取得的成就。由于手术本身存在风险,这些技术迄今仅限于在需要进行临床试验时为志愿者实施。

下一代非外科神经技术(N3)计划

  下一代非手术神经技术(N3)计划,英文全称为Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology,旨在为身体健全的服役人员开发高性能、双向的脑机接口。这些可穿戴接口最终将可以帮助实现多样化的国家安全应用,例如控制主动网络防御系统和无人机群或在执行复杂任务期间与计算机系统合作以进行多任务处理。

  尽管最有效、最先进的神经接口需要外科手术才能将电极植入大脑,但N3计划的项目技术不需要外科手术就可实现这一目的并且可以随身携带,因此这项技术可供更广泛的潜在用户使用。无创神经技术(如脑电图和经颅直流电刺激)已经存在,但不能提供在现实环境中工作的人员进行高级应用所需的精确度、信号分辨率和便携性。

  设想中的N3技术通过提供一个不需要手术植入的集成设备突破了现有技术的局限,该设备具有在50毫秒内读取和写入16个独立通道(体积为16 mm 3)的神经组织的精度,每个通道都能够与大脑的亚毫米区域特异性地相互作用,还具有可与现有创伤性方法相媲美的空间和时间特异性,且单个设备可以组合起来提供一次连接到大脑多个点的能力。

  为实现未来的非创伤性脑机接口,N3计划的研究人员正致力于开发解决方案,解决信号在通过皮肤、头骨和脑组织时散射和减弱的物理问题以及设计解码和编码由其他模态表示的神经信号算法(例如光、声或电磁能)。

项目最新进展

  N3计划的项目研究团队正在研究一系列的方法,这些方法将使用光学、声学和电磁学来记录神经活动或(也可两者都有)以高速和高分辨率将信号发送回大脑。这项研究分为两个部分。研究团队正在研究完全非侵入性的接口,这些接口或是完全处于身体外部,或是微创接口系统,这些系统包括可以临时和非手术地传送信号至大脑以提高信号分辨率的纳米传感器。

  为了使军队大多数身体健全的人从神经技术中获益,非手术接口是必需的。但事实上,类似的技术也可以大大造福临床人群。通过非手术的方式,N3系统寻求扩大那些可以通过这一技术的实现获得深部脑刺激等治疗以控制神经系统疾病的患者群。

  N3计划的项目经理埃蒙迪(Emondi)表示:“DARPA正在为未来做准备,在这个未来中,无人系统、人工智能和网络操作的结合可能会导致冲突在时间轴上发挥作用,这些时间轴对于人类来说太短暂,仅仅依靠现有技术无法进行有效管理和使用。”“通过创建一个不需要手术就可使用的更容易接近的脑机接口,DARPA可以为任务指挥官能够有意义地参与快速展开的动态行动提供工具。”

研究团队及其研究内容

  目前,DARPA已向六个团队提供资金以支持其于2018年3月首次宣布的下一代非外科神经技术(N3)计划。这六个团队分别是巴特尔纪念研究所,卡内基梅隆大学、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、帕洛阿尔托研究中心(PARC)、莱斯大学以及Teledyne Scientific,它们正在领导多学科团队开发高性能的双向脑机接口,以供身体健全的服役士兵使用。

Battelle团队

  该团队由首席研究员Gaurav Sharma博士的带领,团队旨在开发一种微创接口系统, 将外部收发器与非手术输送到感兴趣神经元的电磁纳米转导器配对。纳米转换器将来自神经元的电信号转换成可由外部收发器记录和处理的磁信号,反之亦然,以实现双向通信。

卡内基梅隆大学研究团队

  该团队由首席研究员Pulkit Grover博士负责,团队旨在开发一种完全无创的设备,该设备使用声光方法记录大脑信息并干扰电场以写入特定神经元。该团队将使用超声波引导光线进出大脑以检测神经活动。团队的写入方法利用了神经元对电场的非线性响应,从而使特定细胞类型的局部刺激成为了可能。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室团队


  该团队由首席研究员David Blodgett博士带领,团队旨在开发用于从大脑进行记录的一种完全无创、连贯的光学系统,该系统将直接测量与神经活动相关的神经组织中的光程长度的变化。

帕洛阿尔托研究中心(PARC)团队

  该团队由首席研究员Krishnan Thyagarajan博士带领,团队旨在开发一种用于写入大脑的完全无创的声磁装置,方法是将超声波与磁场配对以产生用于神经调节的局部电流。这种混合方法为大脑深层的局部神经调节提供了可能。

莱斯大学团队

  该团队由首席研究员雅各布·罗宾逊博士负责,团队致力于开发一种用于记录和写入大脑的微创双向系统。为实现记录功能,接口将使用漫射光学层析成像,通过测量神经组织中的光散射来推断神经活动。为了实现写入功能,研究团队将使用磁遗传方法使神经元对磁场敏感。

Teledyne团队

  该团队由首席研究员Patrick Connolly博士带领,团队旨在开发一种完全无创的集成设备,该设备使用微型光泵式磁强计来检测与神经活动相关的小的局部磁场。该团队将使用聚焦超声波的方法对神经元实现写入。

N3计划的实现保障


  在整个计划中,研究将受益于独立的法律和道德专家提供的见解,他们同意提供有关N3计划进展的见解,并考虑未来可能的军事和民用应用以及该技术本身带来的影响。此外,联邦监管机构正与DARPA合作,帮助团队在研究开始时更好地了解人体使用许可。随着工作的进展,这些监管机构将帮助指导提交研究设备豁免申请和研究新药的策略,以便在四年计划的最后阶段对N3系统进行人体试验。

N3计划的愿景

  “如果N3计划成功,我们最终将拥有可穿戴的神经接口系统,可以在几毫米的范围内与大脑进行通信,将神经技术从临床转移到国家安全的实际应用中,” 埃蒙迪说。”就像服役的士兵在准备执行任务时穿上保护性和战术性的装备一样,将来他们可能会戴上一个带有神经接口的耳机,在需要的时候使用该技术,然后在任务完成后将该工具放在一边。(中国电科发展战略研究中心 秦浩)



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