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dsm9393 2020-4-7 17:42

脑机接口能让盲人复明吗？ ------人眼新问（9）都世民（ Du Shimin）摘要：本文主要阐述植入式脑机接口相关问题。美国专家马斯克试图用植入式脑机接口让盲人重见光明，设想 10 年内解决这一问题，这种人工电极的方法，目前的进展情况和存在的问题，到底能不能够让盲人复明？关键词：脑机接口，植入式，休伯尔，人工电极，盲人复明。一．引言 · 自 1958 年开始，美国哈佛大学的两位神经生物学家 — 美裔加拿大人休伯尔（ David Hunter Hubel) 与瑞典人维泽尔（ Torsten Nils W i e s e l ) ，对视觉机制进行了长达 2 5 年的合作研究，共同获得了 1981 年诺贝尔生理学或医学奖。他们首次用微电极的方法，研究了外侧膝状体和视皮层神经细胞感受野，并提出视觉信息是通过三条独立的通道进行加工的。 · 1984 年，赛博朋克之父威廉 · 布吉森早在的《神经漫游者》中，就预言了大脑插入外接储存条，意识将被接入电脑网络等。 · 2017-1-12 ，中国《自然杂志》刊文： “伟大的发现没有偶然——现代视觉科学之父、诺奖得主休伯尔”，作者：上海复旦生命科学学院退休教授顾凡及。（ http://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=f31f8e393a0 ） · 20 17-12-16 ，宇宙往事发文：人脑植入 AI 芯片更聪明？专家警告：小心变成僵尸！（ https://baijiahao.baidu.com/s?id=1586866353975527804wfr=spiderfor=pc ） · 2018 年 1 月，中国科学院大学谢平教授在科学出版社出版 “探索大脑的终极秘密：学习、记忆、梦和意识”一书。在这本书上，作者介绍了休伯尔实验研究的主要结果並提出质疑。 · 20 19-03-05 ，环球网发文： “ 美学者：未来在人类大脑中植入芯片或将成为可能 ”。（ https://baijiahao.baidu.com/s?id=1627131944784855106wfr=spiderfor=pc ） · 20 19-07-31 ， IDG 资本官方发文： “ 脑机接口接连取得突破进展，我们离 “超人类”还远吗？ ”（ https://baijiahao.baidu.com/s?id=1640545329271190124wfr=spiderfor=pc ） · 2019-9-7 ，都世民在科学网发表博客： “ 诺奖得主休伯尔的发现另有玄机 ”。链接地址： http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-1196998.html · 2020- 03-24 ，脑科学君在脑科学日报上发文： “ 斯坦福全新脑机接口，直连大脑和硅基芯片 ”。挑战马斯克 Neuralink ！斯坦福全新脑机接口，直连大脑和硅基芯片。来源：新智元（ https://baijiahao.baidu.com/s?id=1661865967172170060wfr=spiderfor=pc ） · 20 02-05 - 16 ， PingWest 品玩发文： “ 马斯克将在 2020 年年内发布 Neuralink 脑机接口技术 ”。（ https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?context=%7B%22nid%22%3A%22news_10030872282727407311%22%7Dn_type=0p_from=1 ）脑机接口有两个最基本问题：第一，如何从大脑中获取正确的信息？这个问题是 “ 从脑到机 ” ，捕获大脑的输出信号，并试图去理解神经元在做什么。第二，如何将正确的信息发送到大脑？这个问题，则是 “ 从机到脑 ” ，用机器的方式刺激大脑，输入信息或者改变大脑的自然状态 —— 例如，如何帮助盲人重建视觉。马斯克所期待的脑机接口的未来，是像微创眼科手术一样，快速、安全无痛地植入脑机接口芯片。可以通过 USB-C 接口读取大脑信号，甚至可以通过 iPhone 控制，接收大脑信息和向大脑输入信息。 2013 年，斯坦福大学教授 KrishnaShenoy 说，我们对大脑的理解，就跟在 16 世纪初人类对世界地图的了解差不多。而哈佛大学的教授 Jeff Lichtman 的说法则是， “ 如果大脑总共包含的知识原理有一英里长，我们已经在这个路程上走了大概 3 英寸。 ” 然而在多学科交叉下的创投赛道上，也有人认为脑机接口技术将产生巨大的价值。 · 人类多年的研究并没有解决大脑和宇宙这两件事情。试图利用AI技术深入大脑的研究，探索大脑基础层面的运作机理，以及由于疾病和衰老而导致大脑运作失灵的原理。专门研究人脑的工作机理及相关疾病。甚至有人认为，脑机接口操作系统也极有可能成为继 Windows （电脑操作系统代表）、 iOS （手机操作系统代表）、 Alexa （语音操作系统代表）后又一大人机交互系统。这是两种不同的观点。为什么脑科学的研究与人工智能的研究差别这么大？难道人工智能的研究比脑科学的研究有捷径吗？这两种不同的思维模式和研究方法能得到共同的结论吗？从上面的有关资料可以看出，对休伯尔的发现和有关工作，专家学者们是有争议的，下面就来讨论相关问题。二．脑机接口有什么突破性进展？ 1. 脑机接口的关键技术：马斯克（ Elon Musk ）的 Neuralink 公司最新的脑机接口关键技术，可分为以下几个方面： · 线程（ Threads ） —— 来自美国国家实验室的 Vanessa Tolosa 研发的单根多触点柔性电极。 · 机器人（ Robots ） —— 将 Threads 植入皮层的手术机器人。 · 元件（ Electronics ） —— 将记录到的信号进行滤波，数模转换和脉冲检测（ spike detection ）的电子元件，代表技术为 DJ Seo 的 N1 传感器， DJ Seo 之前在加州大学伯克利分校做 Neural dust 项目。 · 算法（ Algorithms ） — 脑机接口算法，由加利福尼亚大学旧金山分校教授 Philip Sabes 开发。 · 芯片设计 Neuralink 计划将电极植入大脑皮层中，负责躯体运动控制的初级运动皮层（ Primary motor cortex ）、背侧前运动皮层（ Dorsal premotor cortex ）、辅助运动区（ Supplementary motor area ）和负责躯体感觉的躯体感觉皮层（ Somatosensory cortex ）这几个位置。 2. 关键技术进展： 1）材料： · 植入的线既要细，又要柔软，还要保持不断，最好能够降解。就马斯克最近发布的产品而言，其中一个突破就是材料学，即细且具柔性的 “ 线 ” （ thread ）。这些线的直径大约 30 ～ 40 微米，而头发直径一般是 80 微米左右。因为大脑是会在头骨中移动的，因此一定程度上，柔性的线可避免脑部受损。 · 材料科学、电子学和生物学的融合。即生物电子界面，导致了与生物组织的，特别是与神经系统，新型精确通信。然而，将基于实验室的创新转化为临床应用，需要在材料、制造和表征范式以及设计规则方面取得进一步进展。于此，瑞士洛桑联邦理工学院 Stéphanie P. Lacour 等人提出了一种用于加速微加工界面在转化研究中的应用的转化框架，并将其应用于软神经技术中，称之为电子硬脑膜（ edura ）。 · 材料科学、电子学和生物学的融合，在脑科学研究中同样存在，人的眼睛的眼球，微小光学的专家已经分析认为是变折射率的球形透镜，是水晶体。可以用人工材料进行仿制，这与生物学本身的材料属性有什么差异？另外，光学专家没有研究过在聚焦处的生物细胞的光学属性，跨过这个学科壁垒是困难的事情。这里面有一个能源问题，生物体和人工制造的物质，供电的方式是不同的，人体总不能够用交流电和直流电供电来维持生命，人脑和电脑怎么融合？ 2）缝衣机器人将 “ 发丝 ” 精准送入大脑的 “ 缝衣机器人（ sewingmachine ） ” 。本质上这更接近于一台配备了很多影像设备的高精度机床。 3）快速植入十秒之内一气呵成，完成数个步骤，从激光打孔到插入电极。 4 ）电极数目脑机接口的电极数目已增加 30 倍。可以运送更多的信号。但和人类大脑 860 亿个脑细胞相比，这仍然是 “ 小巫见大巫 ” 。 5 ）芯片设计 · 马斯克芯片可以连接多达 1024 个电极采集数据。 · 斯坦福芯片把这些 2D 硅电子器件与大脑的三维结构相匹配，他们以全新脑机接口，直连大脑和硅基芯片。将硅电子技术带入三维空间。斯坦福芯片与微线束集成的 CMOS 芯片，斯坦福芯片 “ 几乎可以用任何 3D 阵列同时记录不同深度、不同大脑区域。 6 ）信号与行为之间的相关性研究人员在尝试利用人工智能找出信号与行为之间的相关性。 2020 年 4 月，发表的脑机接口合成语音实验中，一个递归神经网络（ RNN ）被用于神经信号的解码。 7）从海量信息中找到统计规律人工智能非常适合用于从海量信息中找到统计学上的规律。然而 “ 从机到脑 ” 的研究，基本上没有什么头绪。机到脑的研究相比脑到机要慢很多，原因是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态。而由机到脑的研究，对神经编码知识的需求要远大于从脑到机。神经科学在单神经元的研究方面正逐渐明朗，但大脑各种问题根本无法解释。 8 ）跨行业应用全新的输入、输出方式，脑机接口的应用也将横跨数个行业领域，教育科技、游戏产业、大脑检测、反馈治疗。三．疑问与讨论 1 ）脑机接口到底是什么？脑机接口 =“ 脑 ”+“ 机 ”+“ 接口 ” ，如果这等式能够承成立，即意味着在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间创建用于信息交换的通路。脑机接口是一个复杂的交叉学科，需要神经科学、计算机科学、人机工程学等等，研究难度大，但是也很有必要，通过脑机接口可以将超声波等非人类感知力变为人类感知力。脑机接口的划分形式一般看信息采集方式，通常被分为非植入式、半植入式、植入式三种形式。脑机接口会给 “ 超人类 ” 提供了一条捷径吗？目前看来，技术瓶颈依然不少。（ http://news.51cto.com/art/202003/613011.htm ） 2）疑问美国专家马斯克认为， 10 年内，他用植入式人工电极的脑机接口技术，可以让盲人重见光明。他的想法和做法能否实现？脑科学技术的研究不能解决的问题，能否利用脑机接口技术就可以解决？人工智能技术真的能解决人类的一切问题吗？可以让人不死，可以让盲人复明！如果真是这样，他就能够解决几千年人类没有解决的问题，为了搞清这些问题，笔者进行下面一些讨论。 3 ）讨论休伯尔的猫眼实验研究的具体做法是： · 先将动物（猫）麻醉，将头固定于立体定向头架中； · 再将一个细金属电极植入到视皮层（ visual cortex) 中，尽量靠近（不损伤细胞膜）单个神经细胞或纤维； · 检测由神经冲动产生的电流； · 将猫面向几米外的屏幕，使用幻灯机在屏幕上投射与背景不同几何性质的图形（如线条等）。利用这样的装置来研究动物神经细胞对不同类型光刺激的反应（电信号）。对于以上做法，笔者的疑问是：这电极植入以后，与细胞是怎么连接的？测量的信号是什么信号？一直认为这样的做法测量的信号不是离子通道的信号，在很大程度上是电磁感应信号。脑机接口的做法与休伯尔的实验还是有区别的，但是他们之间是有关联的。 · 脑机接口植入位置脑机接口通常直接植入到大脑的灰质，因而所获取的神经信号的质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织（疤），进而导致信号质量的衰退甚至消失。斯坦福的研究属于此类。部分侵入式：接口一般植入到颅腔内，但是位于灰质外。其空间分辨率不如侵入式脑机接口，但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。主要是基于皮层脑电图（ ECoG ）进行信息分析。 ·信息编码业内专家谢平教授在他的著作中提出质疑： H u b e l 和 Wiesel ( 1962 ) 结果的真实性毋庸置疑。但不能排除它被错误地解读为视觉信息需要重新编码的可能性，因为在视路中神经细胞感受野的变化，不一定就意味着视觉信息进行了编码。我们每个人瞬间就能够认出图形，还需要被编码吗？人们也未发现视觉信息被编码的任何可靠证据。感受野充其量只是一种电生理响应（发放 ) ，只能反映神经活动的一个有限的侧面。难以认定像视觉这样的感觉信息都被编码成电信号。视觉信息并不像人们想象的那样，都转变成了电信号。研究人员对视觉机制有关研究，提出多个视觉通道，但视觉信息在这些通道中的具体传输机制依然是一无所知。 ·神经细胞与电极之间的连接电极是人工制造的物质，是导电的金属材料，但细胞是什么导电属性？这两者到底是什么连接方式？传播的电信号属于什么类型？在电子学领域，传播信号的方式与传播通道及其接口是异常复杂的，就是交流电高压和低压，传输的电路及其接口就不同。在微波频段，传播有波导、带状腺、平行线等多种形式，其接口也不相同。在光的频段使用光纤，接口也不相同。脑机接口连接方式和接口形式怎么就这样简单？电极或细胞靠近就行了，令人难以想象，不得其解。上面列举了一些基本问题，对于光学的实验的方法及其相关问题，与实际情况差距甚大，按道理说视觉通道的试验，应该从眼球开始，用平行光进行实验，而进行这样的试验是非常困难的。另外，对细胞本身电子属性和电磁波属性的研究，几乎没有什么进展，只是集中在神经元放电上面，这显然是很不够的。然而单细胞的操作十分困难，其他学科的人无法进行，限制了这项工作的进展。从脑机接口的研究上似乎很乐观，但令人难以置信，因人类对自己的眼睛或大脑了解还是很不够的，笔者对马斯克在 10 年内能让盲人复明，持怀疑态度，几乎是不可能的。

个人分类: 小宇宙探索|4118 次阅读|0 个评论

高灵敏快速FAPbBr3微米晶光探测器

nanomicrolett 2019-4-18 06:01

【引言】 FAPbX 3 钙钛矿材料具有良好的热稳定性和优异的载流子输运特性，性能优于传统的CH 3 NH 3 -PbX 3 (MAPbX 3 ) 钙钛矿光电材料。然而，基于FAPbX 3 的原型器件目前还未见报道。本文亮点 1 氟代甲脒三卤化铅（FAPbBr 3 ）钙钛矿微米晶有利于提高光探测器中的载流子输运。 2 本工作合成的FAPbBr 3 具有良好的光响应性、外量子效率和探测灵敏度。 3 FAPbBr 3 光探测器的双光子性能优于文献报道的MAPbBr 3 光探测器性能。内容简介 FAPbX 3 钙钛矿材料具有良好的热稳定性和优异的载流子输运特性，性能优于传统的CH 3 NH 3 -PbX 3 (MAPbX 3 ) 钙钛矿光电材料。然而，基于FAPbX 3 的原型器件目前还未见报道。中科院大连物化研究院邓伟侨和西南大学何荣幸等人制备了基于FAPbX 3 钙钛矿微米晶的光探测器件，该器件的光响应率达到4000 A/W，比文献报道的FA钙钛矿光探测器高2个数量级。单光子激发下外量子效率高达10 6 %，对应的光探测灵敏度为10 14 Jones 。 FAPbX 3 光探测器件在800-nm激发波长、双光子吸收条件下下的光响应率达到0.07 A/W，比同条件下MAPbBr 3 光探测器高4个数量级。此外，FAPbX 3 光探测器的响应时间低于1 s。该研究说明FAPbX 3 是一种非常优异的快速灵敏光探测器光电材料，为进一步的研发提供了原型器件和相关数据。图文导读 1 FAPbBr 3 的结构与光电性能用改进的抗溶剂辅助反相温度结晶法合成FAPbBr 3 MCs。为了便于去除溶剂并形成均匀的结晶膜，将1M前驱体（等摩尔FABr和PbBr 2 溶于混合溶剂中）在DMF中稀释三次。然后加入反溶剂甲苯以获得饱和溶液，将该饱和溶液在80℃下搅拌以加速成核并增加互连晶体的产率。 2 FAPbBr 3 光探测器件的光电性能测试 FAPbBr 3 MC覆盖了整个有源区域，由于与ITO电极接触而形成肖特基势垒。一旦将电压施加到检测器装置，分别在有源层和电极/钙钛矿界面处发生离子迁移和载流子俘获。这表明FAPbBr 3 MC和ITO电极之间的有欧姆接触。阴极收集大量光生空穴，而阳极上的空穴注入活性层，显示出器件的光电导性。 3 双光子激发下的器件性能表征钙钛矿作为光学限制效应，超快光学信号表征，显微镜和光刻的非线性半导吸收体，也引起了极大的关注。因此该研究在双光子激发下对器件进行了表征，其中光电流由800 nm脉冲激光产生，其光子能量远小于FAPbBr 3 的带隙（2.18 eV）。作者简介主要研究方向： ① 微孔高分子材料：氢气/甲烷储存；CO2捕获；水处理；微孔催化。 ② 太阳能电池材料：染料敏化太阳能电池；钙钛矿太阳能电池。主要研究方向：分子光谱与光化学；分子激发态动力学；不对称催化反应机理。相关阅读 1 平面异质结钙钛矿电池 —一种新的伏安曲线拟合方法 2 综述：低维卤化物钙钛矿材料及其先进光电应用 3 NML综述 | 石墨烯可成为钙钛矿太阳能电池的下一代材料吗？ 4 NML研究论文 | 基于CsPbBr3/C的高效全无机钙钛矿太阳能电池

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植入式生物电子器件:自供电可植入式电子皮肤血糖仪用于体内血糖水平的实时监测

nanomicrolett 2019-4-17 12:51

【引言】近年来，植入式生物电子标记技术在医疗和医学诊断领域展现出很好的应用前景。例如，可穿戴式“电子皮肤”可用作医疗保健中人体生理信号的无创传感器。植入式电子皮肤类器件面临的最大挑战是必须兼顾柔软易变形、供能、以及生物传感功能等问题。本文亮点 1 自供电可植入式电子皮肤血糖仪可用于体内血糖水平的实时监测。 2 叉指电极确保了单个纳米线在相同方向上的压电势。压电生物传感过程不需要外加电源。并提出了压电酶反应耦合效应。 3 该设备在活鼠体内运行良好并且能够实时检测血糖水平。内容简介东北大学王帅和薛欣宇等人开发了一种自供电可植入式电子皮肤血糖仪，用于实时监测体内血糖水平。基于GOx@ZnO纳米线的压电酶反应耦合效应，该器件在施加变形时会输出含有葡萄糖检测信息的压电信号。输出压电电压既作为生物传感信号可以提供电能，不需要提供外加电源。进一步地，将该电子皮肤血糖仪植入实验白鼠体内后，显示出优异的体内血糖水平监控性能。本研究为糖尿病的预防与诊断开辟了一条新的研究方向。图文导读 1 自供电可植入式电子皮肤血糖仪的应用前景，器件体系结构，材料系统和实验设计世界卫生组织（WHO）预计到2025年全世界将有30亿名糖尿病患者，迫切需要实现对血糖浓度的连续检测。自供电可植入式电子皮肤血糖仪可实时监测体内血糖水平，有助于糖尿病的预防和诊断，应用前景良好。该器件尺寸为0.4×1.3cm 2 ，薄且易弯曲，其小巧结构使其适合嵌入生物体内。和之前的研究相比，新的衬底更加灵活易拉伸。不同于垂直排列，纳米线在衬底上水平排列可以促进生物传感过程。 2 自供电可植入式电子皮肤血糖仪的压电-生物传感性能在施加变形的情况下，该装置可以将机械能转化成反映葡萄糖浓度信息的压电电压。该过程无需电能，输出的压电电压既是电源，也是生物传感信号。结果表明，随着葡萄糖浓度的增加，器件的输出压电电压减小。 3 自供电可植入式电子皮肤血糖仪的工作原理其工作机理是基于酶反应与ZnO纳米线的压阻效应之间的耦合关系。在纯水中，纳米线表面不发生反应，其表面载流子密度较低。在外加变形下，GOx@ZnO纳米线压电屏蔽效应减弱，输出压电电位升高。当装置浸入葡萄糖溶液时，附着在ZnO纳米线表面的GOx(葡萄糖氧化酶)与葡萄糖发生反应。作者简介主要研究方向：低气压放电射频源中的电磁场特性；射频放电在材料处理、合成制备工艺等先进制造领域的应用。博士生导师，教育部新世纪优秀人才。主要研究方向：自充电电池；表面耦合效应及多功能器件。关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，目前免收版面费。联系我们 E-mail editorial_office@nmletters.org Web http://springer.com/40820 http://nmletters.org APP nano-micro letters QQ 100737456 Facebook https://facebook.com/nanomicroletters Twitter https://twitter.com/nmletters Tel 86-21-34207624

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