下一代非侵入性神经技术

　　美国国防高级研讨方案局(DARPA)近期发布了其“下一代非侵入性神经技术”(N3)项目咨询建议书，旨在开展高分辨率非侵入性脑神经接口技术，推动兵士与人工智能(AI)、半自主、自主武器装备的完全交互才干，完结战场兵士的超级认知、快速抉择方案和脑控人机编队等超脑和脑控才干。

　　一、基本情况

　　2018年3月16日，DARPA生物技术办公室提出N3项目，开发高分辨率的便携式神经接口，可以一同读取和写入人脑的多个方位，在非手术的情况下完结大脑和系统间的高水平通讯，从而把先进神经技术运用于健康兵士，支撑美国防部在未来改进人机交互。2018年7月，DARPA发布了跨部门公告(BAA)，盘绕技术需求向工业部门咨询建议书，现在项目进入承研方遴选阶段，估量在2019年头授出合同。在DARPA的2019财年预算中，该项目2018、2019两年总费用为2703.5万美元。

　　现在，脑机接口领域的侵入性神经技术可以精确、高质量地连接到特定的神经元或神经元组，已用于脑危害等疾病患者，但不适于健康人群;脑电图、经颅直流电影响等非侵入性神经技术远达不到实践工作中所需的精确度、信号分辨率和便携性要求。DARPA生物技术办公室依据生物医学工程、神经科学、组成生物学和纳米技术等领域的最新进展，以为现在可以完结高分辨率的下一代非侵入性神经接口技术。

　　N3具有无需手术、分辨率高、精确度高、推延时间短、人脑信号的一同和多方位读写等利益，将成为前进超级兵士的认知和抉择方案才干、兵士和武器装备信息交互以及兵士意念控制武器等的重要方法。依据现在的DARPA神经科学项目，神经科学与脑机接口是DARPA研讨的要点领域，也是近年进展最快的领域之一。该领域覆盖了感觉感觉、运动神经、外周神经、中枢神经等不同接口技术，旨在增强兵士的认知和抉择方案等才干，大幅提高脑机交互和脑控技术。

　　二、N3技术原理

　　N3具有较高的时空分辨率和较短的推延时间，功用与现在的微电极技术类似，是集成神经记载(读出)和神经影响(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影响器和传感器完结机器与脑神经的直接通讯。精创神经接口将纳米传感器精确导入特定脑神经方位，与外部传感器和影响器相互作用，完结机器与该方位脑神经的直接通讯。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左))中的传感器和影响器子组件。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接口还包括一个核算与处理单元，供应与任务相关的神经信号实时解码/编码(图1C)。

　　图1 N3概念原型

　　注：A为支撑读写功用的纳米传感器(仅适用于精创神经接口设备);B左为用于完结与大脑的多焦点交互的多个设备的概念图，B右为至少两个子组件集成到一个设备中;C为N3系统和运用之间的解码/编码核算的处理器件。

　　图2闪现了下一代非侵入性神经接口的概念原型预期结构。

　　图2 N3概念原型的预期结构

　　无论是无创仍是精创神经接口的开发，都需求打败非侵入性神经接口的信号散射、衰减和信噪比等问题。

　　1.无创神经接口

　　无创神经接口包括传感器和影响器(这些传感器和影响器不损坏皮肤而且抵达神经集成分辨率)，是将神经接口作为闭环系统，进行信号解码和编码，向大脑供应感官反响。N3对无创神经接口的毕竟要求是：在50毫秒的推延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估量分三个阶段。

　　①子组件的开发，包括神经记载和影响子组件，是对神经信号的读出和神经影响信号的写入进行处理的器件。系统规划包括：创建读出和写入的子组件;传感器和影响子组件;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作工艺。本阶段需求演示子组件满足功能方针并保证子组件的读写功用继续工作两小时以上。

　　②集成读写子组件，并在体内验证集成器件。需求点评和下降子组件间的串扰和烦扰、规划整个系统的推延标准、将读写功用集成到设备。需求开发解码运动信号和编码感觉反响算法，解码算法有必要能将N3记载的神经信号转换为便于多自由度控制的控制信号，编码算法有必要能从任务环境中说明信息并转化为影响方式，向用户供应有关任务的感官反响。该阶段需求进行两次演示：在动物或人类中演示开环读写功用;在高级哺乳动物或人类中演示集成系统的闭环读写功用。

　　③改进系统算法，将系统推延下降至50毫秒，增加控制自由度，并增加方针中所列出的编码感觉信号的数量。容许设备在不同大脑区域中进行多焦点读出和写入。该阶段需求进行人体实验以及相关运用的演示，如在虚拟现实系统中控制多架无人机，一同接收感官反响来描绘每架无人机的情况。

　　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邻近的纳米传感器和皮肤外部的集成传感器、影响器设备。传感器和影响器位于颅骨外部，与纳米传感器相互作用，来完结高分辨率的神经记载和影响。纳米传感器要完结最佳投递途径和细胞类型的特异性。

　　精创神经接口容许纳米传感器的非手术投递，如摄入、打针或鼻腔给药等方法，包括但不限于自拼装、病毒载体、分子、化学纳米颗粒或病毒载体等技术，可以将信号投递至感兴趣的神经元，抵达单个神经元分辨率。在此运用中，不构成组织危害或天然神经回路阻挠。精创神经接口的衡量更严厉，需求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估量分三个阶段。

　　①开发读写子组件和纳米传感器以及两者的相互作用。规划纳米传感器的封装材料、细胞类型特异性的抗体或促进剂。在此进程需求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运用，将纳米传感器传递到动物大脑中验证，完结系统集成、安全性和组织学研讨。

　　③细化系统参数满足衡量标准，改进系统算法，将系统推延下降至50毫秒，增加控制的信号数以及编码的感官信号数。扩展设备数量，完结在不同大脑区域多焦点的读出和写入。毕竟完结在人类受试者中的演示以及人与相关运用的交互演示。

　　3.技术功能方针

　　N3选用一些功能方针来设定设备的有效性，这些衡量标准有：精确度、通道数量、设备大小、感官信号、多焦点才干以及认知方针。其间精确度、通道数量、感官信号以及多焦点才干较为重要。

　　N3选用“地上真实”的信号记载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需求记载和说明感官信号的方法，感官信号包括看、摸、听、尝、说或闻等。N3需求多个双向设备，盘绕受试者头部，完结脑部不同脑区的交互神经记载和影响。

　　三、技术应战与潜在问题

　　美军的N3项目要完结兵士的超脑和脑控才干，完结兵士与机器的无线脑机交互，与AI、半自主与自主武器装备交互组合，如让兵士脑筋成为高速CPU以完结快速抉择方案和认知，让兵士用意念控制蜂群编队等以完结人机组合。不过，完结上述方针，N3项目还面临一系列的技术应战和品德安全等问题。

　　一是N3面临多项技术应战。首先要打败信号散射、衰减和信噪比等问题。其次是在实战运用中面临的问题，如打败各种防护装备的信号屏蔽，以及将N3装备兵士而不受信号烦扰和屏蔽的影响等。

　　二是或许导致兵士精力或神经性疾病。N3项目在施行进程中，假如完结完全的人机交互，人与AI交互中的人类抉择方案所占的比例问题，以及兵士的认知负荷等都需求细心考虑，如给人脑增加太多认知会使兵士认知负荷过重导致精力或神经性疾病。

　　三是完全的脑机接口完结会带来品德和安全问题。完结人脑和机器的交互，人的知道(回想、思想和情感等)可完全上传和下载，随时给兵士脑部输入各种战术技术的回想和思想，将完全推翻人脑学习才干。当然，这些技术也或许成为未来对手进犯的一种方法，或许会给兵士带来知道紊乱、精力控制等毁灭性成果，引发品德和安全关怀。