 腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）是一種技術(shù)，旨在將人腦與計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備進(jìn)行直接的傳輸和交互。腦機(jī)接口可以用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)研究、神經(jīng)科學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)和增強(qiáng)人類(lèi)能力等。 目前有兩種主要的腦機(jī)接口技術(shù)，即腦電圖（Electroencephalography，EEG）和植入電極。 2.植入電極：植入電極是一種侵入性的腦機(jī)接口技術(shù)，通過(guò)手術(shù)將電極植入到大腦組織中以記錄電活動(dòng)。這種技術(shù)可以提供更準(zhǔn)確、更具空間分辨率的腦電活動(dòng)信息。植入電極能夠記錄和刺激神經(jīng)元的活動(dòng)，并且在一些特定的醫(yī)學(xué)研究和治療領(lǐng)域具有重要意義。然而，植入電極需要外科手術(shù)，并且與一些風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥相關(guān)。 在腦機(jī)接口這一連接人類(lèi)大腦與外部世界的橋梁中，電極作為大腦與外部設(shè)備之間的接口，直接或間接地與大腦的神經(jīng)細(xì)胞接觸，從而實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的直接通信。今天我們就重點(diǎn)介紹一下腦機(jī)接口的關(guān)鍵組件—電極。 電極的主要作用 電極負(fù)責(zé)捕獲、放大、記錄和傳輸大腦神經(jīng)電活動(dòng)產(chǎn)生的微弱電信號(hào)，這些電信號(hào)反映了大腦的活動(dòng)狀態(tài)，是腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的基礎(chǔ)；同時(shí)，電極還具備刺激大腦神經(jīng)元的功能，通過(guò)施加生物刺激來(lái)影響大腦活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)治療或輔助目的，從而實(shí)現(xiàn)大腦與計(jì)算機(jī)的雙向通訊。 電極的分類(lèi) 從基礎(chǔ)科學(xué)研究到臨床應(yīng)用，電極技術(shù)都是推動(dòng)腦機(jī)接口發(fā)展的基石。甚至，腦機(jī)接口的分類(lèi)與電極的分類(lèi)異曲同工——根據(jù)電極植入方式、用途和特性，腦機(jī)接口可分為非侵入式、侵入式及半侵入式多種類(lèi)型。 非侵入式電極：包括腦電圖（EEG）、功能磁共振成像（fMRI）等，通過(guò)放置在頭皮上或頭部外部來(lái)捕獲大腦的電信號(hào)，無(wú)需手術(shù)植入，主要用于醫(yī)療診斷、神經(jīng)科學(xué)研究、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲以及消費(fèi)級(jí)智能穿戴等領(lǐng)域。 侵入式電極：包括微電極陣列（MEA）、深度腦刺激（DBS）等，需要手術(shù)植入大腦內(nèi)部，以獲取更精確、更穩(wěn)定的電信號(hào)，主要用于神經(jīng)科學(xué)研究、帕金森病治療、癲癇治療等醫(yī)療領(lǐng)域。 半侵入式電極：作為非侵入式和侵入式電極的折中方案，通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)植入大腦皮層或神經(jīng)組織附近，既保持了信號(hào)的準(zhǔn)確性，又降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，在神經(jīng)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 不過(guò)除了植入方式之外，電極的分類(lèi)方式多樣，例如從柔韌性角度來(lái)講，電極技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)剛性電極到柔性電極的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)大腦組織的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)特性（主要針對(duì)侵入式）。 剛性電極：在腦機(jī)接口技術(shù)中較早出現(xiàn)，通常采用硅或金屬材料制作，具有良好的導(dǎo)電性和耐用性，不易變形，早期代表性產(chǎn)品包括猶他電極和密歇根電極，它們具有較高的電極密度和信號(hào)采集能力，尤其是在需要高精度、高頻率動(dòng)作電位信息采集的場(chǎng)景中；由于其硬質(zhì)地，植入大腦后，剛性電極與柔軟的腦組織間存在明顯的力學(xué)性能差異，易導(dǎo)致微移動(dòng)、炎癥反應(yīng)和愈傷組織形成，從而可能影響信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并可能損傷周?chē)X組織。盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，柔性電極逐漸成為研究趨勢(shì)，但剛性電極依然在某些應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，常用于實(shí)驗(yàn)性研究、短期臨床測(cè)試以及某些特定的醫(yī)療應(yīng)用，如深部腦刺激治療帕金森病等，其中對(duì)信號(hào)質(zhì)量和短期穩(wěn)定性有較高要求。 柔性電極：由于其低侵襲性和良好的生物相容性，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。這類(lèi)電極可以減少對(duì)腦組織的損傷，提高信號(hào)質(zhì)量，適合長(zhǎng)期植入。柔性材料如聚合物、碳纖維、甚至是可降解材料被廣泛研究，以期達(dá)到更好的生物兼容性和信號(hào)傳輸效率。 同時(shí)研究者正在探索半柔半剛性電極設(shè)計(jì)，如使用鎳鈦記憶合金等材料，以提高電極的可植入性和生物兼容性，同時(shí)保持信號(hào)采集的質(zhì)量。 猶他電極  密歇根電極  根據(jù)電極數(shù)量，可分為單根微電極和電極陣列（主要針對(duì)侵入式）。 首先，單電極在腦機(jī)接口領(lǐng)域是一個(gè)基本的概念，指的是單獨(dú)一個(gè)電極單元，它構(gòu)成了腦機(jī)接口系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的信號(hào)采集或刺激單元。 單根微電極：是一種極其細(xì)小的電極，直徑通常小于100微米，有的甚至不到10微米，這樣的設(shè)計(jì)可以減少對(duì)周?chē)M織的損傷，允許更精確地定位到目標(biāo)神經(jīng)元，用于侵入式地記錄或刺激單個(gè)神經(jīng)元或小規(guī)模神經(jīng)元群體的電活動(dòng)，這對(duì)于研究神經(jīng)元的發(fā)放模式、神經(jīng)編碼機(jī)制至關(guān)重要；此外，單根微電極也可以用于神經(jīng)刺激。 微電極陣列MEA：為了提高信號(hào)的空間分辨率，研究者開(kāi)發(fā)了含有數(shù)千個(gè)電極的高密度陣列，由多個(gè)微小電極以特定排列方式緊密排列，這使得對(duì)大腦活動(dòng)的監(jiān)測(cè)或刺激更為精確，有助于解析復(fù)雜的神經(jīng)編碼機(jī)制及神經(jīng)控制。 在非侵入式電極的分類(lèi)方面，根據(jù)是否需要導(dǎo)電膏，又可分為： 干電極：不需要配合導(dǎo)電膏使用，方便快捷舒適。 濕電極：含有導(dǎo)電介質(zhì)（通常是導(dǎo)電凝膠），增強(qiáng)與皮膚或組織的接觸，從而提高信號(hào)質(zhì)量，便攜性較低。 不論哪種電極，如何分類(lèi)，衡量電極的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括采集或傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量和數(shù)量、植入或使用的安全性，這其中涉及到信噪比、分辨率、穩(wěn)定性、生物相容性等多個(gè)指標(biāo)。 常見(jiàn)腦電電極的部分指標(biāo)參數(shù)對(duì)比
混合電極設(shè)計(jì) 結(jié)合干電極的便捷性與濕電極的高信噪比，例如采用微流控技術(shù)動(dòng)態(tài)釋放電解液，實(shí)現(xiàn)阻抗自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 生物兼容性材料 開(kāi)發(fā)柔性導(dǎo)電聚合物（如PEDOT:PSS），在降低阻抗的同時(shí)減少皮膚刺激，尤其適用于兒童與敏感人群。 多模態(tài)集成 將電極與光學(xué)、力學(xué)傳感器結(jié)合，同步采集腦電、血氧及頭部運(yùn)動(dòng)信號(hào)，提升數(shù)據(jù)分析的維度（如fNIRS-EEG聯(lián)合系統(tǒng)）。 1.更高的信號(hào)精度：高分辨率和多通道電極能捕捉更多的神經(jīng)活動(dòng)信息，這可以提高BCI的信號(hào)精度和解碼能力。 2.更好的功能映射：更多的通道和更高的分辨率意味著可以更精確地映射大腦中不同區(qū)域的活動(dòng)，這有助于區(qū)分不同的認(rèn)知和動(dòng)機(jī)功能。 3.提高糾錯(cuò)能力：在某些應(yīng)用中，某些電極可能受到干擾或無(wú)法正常工作。多通道設(shè)計(jì)可以提供冗余，保證信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 4.擴(kuò)展應(yīng)用范圍：多通道和高分辨率的電極可以適應(yīng)多種應(yīng)用，從基本的腦波解碼到更復(fù)雜的認(rèn)知和感覺(jué)任務(wù)。 本期問(wèn)題彩蛋： |
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來(lái)自： 天承辦公室 > 《009人機(jī)融合》
