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中国信通院发布《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告(2022年)》

作者:中国信通院

脑科学问题是人类社会面临的基础科学问题,是人类理解自然和理解人类自身的重要研究方向,脑机接口是该领域的有效探索手段之一。在国家战略的引领下,在科技创新不断更迭促进下,在人民大众的期待关注下,脑机接口技术将在面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向人民生命健康的科技创新主战场上发挥重要作用。为此,中国信息通信研究院(以下简称“中国信通院”)面向脑机接口领域,提出“脑智芯连,思行无碍”这一行业发展总体愿景,并针对此愿景目标的实现,尝试勾画出在不远的未来,脑机接口产业发展的蓝图和愿景期望。希望产业各方能够在此愿景描绘的不同场景下开展更多研究、开发、交流与合作,共同绘制脑机接口产业的美好未来。

近日,中国信通院正式发布《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告(2022年)》,针对脑机接口这一前沿领域,全球首次从愿景、需求、场景、技术、系统衡量指标几个维度开展研究,对该领域的科研攻关、产品研制和政策研究具有参考价值。

中国信通院发布《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告(2022年)》

报告全面论述了脑机接口发展现状,提出了“脑智芯连,思行无碍”的总体愿景目标,总结了脑机接口系统需要满足 “准确、高效、稳定、易用、安全”五大需求,给出了系统性能和可用性两组关键评估指标,分析了采集技术、刺激技术、范式编码技术和解码算法技术等4种核心技术的发展现状及趋势,并就脑状态检测、神经调控和对外交互3类重要应用场景下的脑机系统给出具体指标建议。报告最后就脑机接口未来应用和市场发展规模进行了预测,并给出了未来发展展望。

白皮书核心观点

1. 报告提出一个愿景:“脑智芯连,思行无碍”。这是脑机接口产业发展总体愿景,“脑”寓意为大脑和思维意图,“智”寓意为人工智能和类脑智能,“芯”寓意为以芯片和计算能力为代表的外部设备,“连”有通讯、接口、内外连接与协同三重含义。通过“脑智芯连”的科学融合,实现“思行无碍”的目标,即期待大脑及人类智能和外部设备相互连接后,人类的思想和行为控制之间,不再有疾病和空间的阻碍;人类的能力得到显著增强,大大降低神经疾病带来的痛苦。

2. 脑机接口愿景的实现前提是满足“准确、高效、稳定、易用、安全”五大需求。即脑机接口系统应具有准确的大脑意图解码算法;高效的信息解码效率,快速地反馈响应和执行任务;稳定的设备性能与抗干扰能力;易用、轻便、舒适的使用体验;安全和符合伦理要求的植入、采集和信息传送保障。是否满足五大需求的评判指标,可分为性能指标与可用性指标两组。性能指标主要体现在响应时间、识别正确率、可输出指令数量和菲茨吞吐量等4个易量化指标;可用性指标主要体现在易用性、长效性、鲁棒性、安全性和互操作性等五个主客观结合指标。

3. 脑机接口的创新发展有赖于“产学研用医政”协同创新体系的搭建。脑机接口的广泛应用落地需要关键技术的突破,工程技术的革新,科研工具平台的支撑,标准体系的推动、测试验证体系的完善,科技伦理的共识,以此来不断突破发展瓶颈,迎来更大的应用空间。因此,脑机接口产业需要建设创新协同体系,促进多学科协作、多行业协同。

4. 全面分析研判脑机接口的关键技术发展现状和未来趋势。报告针对脑机接口采集技术、刺激技术、范式编码技术和解码算法技术4种核心技术的发展现状及趋势进行了分析。(1)随着微纳加工技术和材料技术的不断革新进步,带动脑机侵入式技术不断革新,植入电极朝向柔性化、小型化、高通量、多功能和集成化方向发展。非植入式技术受益于机器学习、深度学习等算法的广泛普及,信号解析能力不断提升,抗扰降噪性能不断加强,且凝胶等新材料的应用也使得脑信号采集设备更具舒适度;近红外等光学检测手段也为脑信号检测提供了新的解决思路。(2)以脑深部电极刺激为代表的神经调控刺激技术正在探索基于特异性生物标志物监测等手段实现闭环自适应控制,并结合机器学习和深度学习等手段实现动态精准刺激。植入式视觉调控技术相关研究已经开展,正从浅层的视网膜刺激向视觉重建效果更好的脑皮层刺激深入。(3)范式编码技术在发展过程中日益重视纳入用户感受,朝向更加友好和高效的方向发展演进,新的范式不断出现,带来更加丰富的探索实践。(4)解码技术依托分解算法、机器学习、深度学习、黎曼几何等方法不断提升解码精度和解码效率,为脑机接口系统解决跨用户和跨时间的可变性难题,提供新的解决思路。

白皮书目录

一、脑机接口系统的总体愿景

(一)脑机接口发展概述

(二)总体愿景

二、脑机接口系统应满足的需求及关键指标

(一)需求

(二)关键指标

三、脑机接口关键技术

(一)采集技术

(二)刺激技术

(三)范式编码技术

(四)解码算法技术

四、典型应用场景案例和需求

(一)脑状态检测

(二)神经调控

(三)对外交互

五、展望与建议

(一)未来展望

(二)发展建议

更多精彩,敬请阅读解读PPT。

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