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下一代非侵入性神经技术(N3)的诞生

2019-08-16

美国国防高级研究计划局(DARPA)近期发布了其“下一代非侵入性神经技术”(N3)项目征询建议书,旨在发展高分辨率非侵入性脑神经接口技术,推动士兵与人工智能(AI)、半自主、自主武器装备的完全交互能力,实现战场士兵的超级认知、快速决策和脑控人机编队等超脑和脑控能力。

N3具有较高的时空分辨率和较短的延迟时间,功能与目前的微电极技术类似,是集成神经记录(读出)和神经刺激(写入)的双向接口技术。该技术专注于两种方法:无创和精创神经接口(见图1)。无创神经接口通过外部刺激器和传感器实现机器与脑神经的直接通信。精创神经接口将纳米传感器精确导入特定脑神经位置,与外部传感器和刺激器相互作用,实现机器与该位置脑神经的直接通信。无创神经接口包括集成到身体外部设备(1个或多个设备,图1B))中的传感器和刺激器子组件。精创神经接口包括读取和写入大脑内部的纳米传感器(图1A),与内部纳米传感器相互作用的外部子组件集成设备(图1B右)。N3接口还包括一个计算与处理单元,提供与任务相关的神经信号实时解码/编码(图1C)。

1 N3概念原型

1.无创神经接口

无创神经接口包括传感器和刺激器(这些传感器和刺激器不破坏皮肤并且达到神经集成分辨率),是将神经接口作为闭环系统,进行信号解码和编码,向大脑提供感官反馈。N3对无创神经接口的最终要求是:在50毫秒的延迟时间内接收输入信号、解码、编码以及向集成设备发送信号。无创神经接口的开发预计分三个阶段。

①子组件的开发,包括神经记录和刺激子组件,是对神经信号的读出和神经刺激信号的写入进行处理的器件。系统设计包括:创建读出和写入的子组件;传感器和刺激子组件;与外部处理单元间的数据传输,解码和编码算法;以及相关的加工或制造工艺。本阶段需要演示子组件满足性能指标并保证子组件的读写功能持续运行两小时以上。

②集成读写子组件,并在体内验证集成器件。需要评估和降低子组件间的串扰和干扰、设计整个系统的延迟标准、将读写功能集成到设备。需要开发解码运动信号和编码感觉反馈算法,解码算法必须能将N3记录的神经信号转换为便于多自由度控制的控制信号,编码算法必须能从任务环境中解释信息并转化为刺激模式,向用户提供有关任务的感官反馈。该阶段需要进行两次演示:在动物或人类中演示开环读写功能;在高级哺乳动物或人类中演示集成系统的闭环读写功能。

③改进系统算法,将系统延迟降低至50毫秒,增加控制自由度,并增加指标中所列出的编码感觉信号的数量。允许设备在不同大脑区域中进行多焦点读出和写入。该阶段需要进行人体实验以及相关应用的演示,如在虚拟现实系统中控制多架无人机,同时接收感官反馈来描述每架无人机的状态。

2.精创神经接口

精创神经接口包括放置在感兴趣神经元及其附近的纳米传感器和皮肤外部的集成传感器、刺激器装置。传感器和刺激器位于颅骨外部,与纳米传感器相互作用,来实现高分辨率的神经记录和刺激。纳米传感器要实现最佳递送路径和细胞类型的特异性。

精创神经接口允许纳米传感器的非手术递送,如摄入、注射或鼻腔给药等方式,包括但不限于自组装、病毒载体、分子、化学纳米颗粒或病毒载体等技术,可以将信号递送至感兴趣的神经元,达到单个神经元分辨率。在此应用中,不造成组织损伤或自然神经回路阻碍。精创神经接口的度量更严格,需要单神经元的空间分辨率和更多控制和感官信号。精创神经接口的开发预计分三个阶段。

①开发读写子组件和纳米传感器以及两者的相互作用。设计纳米传感器的封装材料、细胞类型特异性的抗体或促进剂。在此过程需要进行神经读写的概念演示体外验证。

②从体外过渡到哺乳动物的应用,将纳米传感器传递到动物大脑中验证,实现系统集成、安全性和组织学研究。

③细化系统参数满足度量标准,改进系统算法,将系统延迟降低至50毫秒,增加控制的信号数以及编码的感官信号数。扩大设备数量,实现在不同大脑区域多焦点的读出和写入。最终实现在人类受试者中的演示以及人与相关应用的交互演示。

3.技术性能指标

N3采用一些性能指标来设定设备的有效性,这些度量标准有:精确度、通道数量、设备大小、感官信号、多焦点能力以及认知指标。其中精确度、通道数量、感官信号以及多焦点能力较为重要。

N3采用“地面真实”的信号记录方法来比较神经信号读取的精确度。通道数量是在一定脑容量内的单个神经元读取或写入的通道个数。N3需要记录和解释感官信号的方法,感官信号包括看、摸、听、尝、说或闻等。N3需要多个双向装置,围绕受试者头部,实现脑部不同脑区的交互神经记录和刺激。

来源:DARPA网站