利用類腦器件高效處理神經信號，構建新型腦機接口

2020-09-25 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

註：文末有研究團隊簡介 及本文科研思路分析


近日，清華大學微納電子系、未來晶片技術高精尖創新中心的錢鶴、吳華強教授團隊與醫學院洪波教授團隊在《自然•通訊》（Nature Communications）在線合作發表了題為「Neural signal analysis with memristor arrays towards high-efficiency brain–machine interfaces」的研究論文，利用憶阻器的仿生與存算一體特性，提出了基於憶阻器陣列的新型腦機接口，構建了高效智能的腦電神經信號處理系統，演示了大腦癲癇狀態的識別，實現了93.46%的高準確率，並將系統功耗降低了400多倍。這是兩個研究團隊學科交叉的最新研究成果。

圖1. 基於憶阻器陣列神經信號分析系統的新型腦機接口


近年來，腦機接口技術作為信息科學與神經科學等多學科交叉融合的前沿領域，在康復醫學、醫療電子等領域得到了廣泛關注與應用， Neuralink、BrainCo、Neuracle等公司都積極投入實用化腦機接口的研發。腦機接口技術可以將大腦發出的動作或言語意圖翻譯為控制指令，從而幫助運動、語言障礙患者的康復治療。同時，腦機接口技術還可以用來監測與癲癇、阿爾茲海默症和帕金森病等神經退行性疾病相關的腦狀態，為治療這些疾病提供新的治療方案。目前，主流的腦機接口中的神經信號分析模塊由矽CMOS電路構成，但隨著腦機接口中的信號採集通道數的增加，系統面臨著功耗和延時等方面的巨大挑戰，這是制約腦機接口技術在植入式或可攜式醫療系統中應用的重要瓶頸之一。


憶阻器是一種新型信息處理器件，其電導狀態可以通過外加電壓激勵驅動離子遷移來調節。憶阻器的工作機理與人腦中的神經突觸、神經元等具有一定的相似性，基於憶阻器的神經形態計算可以突破傳統計算架構，在實現高並行度的同時顯著降低功耗，因此在腦機接口領域有著巨大的應用潛力。


研究團隊受此啟發，通過在腦機接口領域兩年多的交叉學科緊密合作，提出了基於憶阻器陣列的新型腦機接口，實驗製備了具有模擬阻變特性的憶阻器陣列，並構建了基於憶阻器的神經信號分析系統。該系統包含用於神經信號高效預處理的憶阻器濾波器組和用於智能分類識別的憶阻器神經網絡。為了驗證該系統的可行性，研究團隊演示了癲癇相關的神經信號濾波與分類，憶阻器系統最終實現了93.46%的大腦癲癇狀態識別準確率，相較於傳統CMOS硬體，具有400倍以上的功耗優勢。

圖2. 用憶阻器神經信號分析系統來處理和識別癲癇相關的大腦狀態


圖3. 憶阻器陣列濾波結果示例與網絡準確率和功耗的對比


該工作的主要創新之處包括：

（1）受大腦中高並行的模擬神經信號處理方式的啟發，利用憶阻器的仿生特性首次高效實現了高階FIR濾波器組，作為一個通用的神經信號處理單元。

（2）提出一種基於憶阻器陣列的新型腦機接口原型系統，集成了作為神經信號預處理單元的高階FIR濾波器組和作為信號解碼器單元的憶阻器神經網絡。

（3）使用預記錄的癲癇相關神經信號的數據集（Bonn Epilepsy Dataset），對所構建的神經信號處理系統的功能進行了驗證，實現了93.46%的大腦癲癇狀態識別準確率。評估表明，系統功耗相比傳統硬體具有兩個數量級以上的優勢。


清華大學微納電子系吳華強教授、唐建石助理教授和醫學院洪波教授是本論文的共同通訊作者，清華大學微納電子系博士生劉正午為論文的第一作者，論文合作者包括微納電子系博士生周穎、醫學院博士生劉定坤等人。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、北京信息科學與技術國家研究中心等支持。


Neural signal analysis with memristor arrays towards high-efficiency brain–machine interfaces

Zhengwu Liu, Jianshi Tang, Bin Gao, Peng Yao, Xinyi Li, Dingkun Liu, Ying Zhou, He Qian, Bo Hong, Huaqiang Wu

Nat. Commun., 2020, 11, 4234, DOI: 10.1038/s41467-020-18105-4


清華大學錢鶴、吳華強團隊簡介


微納電子系錢鶴、吳華強教授團隊長期致力於基於憶阻器的存算一體晶片技術研究，從器件性能優化、工藝集成、電路設計及架構與算法等多層次實現創新突破，相關研究成果已在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials 等頂級期刊以及IEDM、ISSCC、VLSI等領域內頂級國際學術會議上發表。


錢鶴

https://www.x-mol.com/university/faculty/243659

吳華強

https://www.x-mol.com/university/faculty/243676


清華大學洪波團隊介紹


醫學院洪波團隊長期專注於微創腦機接口開發和人腦語言神經機制研究。團隊與臨床神經外科、微電子、材料等學科合作，發展了人腦功能定位與腦網絡分析新方法，提出並實現了基於顱內腦電的微創腦機接口技術，在解析人腦語音語言編碼機制方面取得重要進展，相關研究成果在Nature Neuroscience, PNAS, Nature Communications 等期刊上發表。


https://www.x-mol.com/university/faculty/60613


科研思路分析


Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？

A：我們團隊的研究工作主要是圍繞憶阻器開展，利用憶阻器存算一體的特點來高效地完成矩陣-向量乘法，從而實現人工神經網絡的加速。其中，憶阻器的工作機理是依賴電場驅動下氧離子遷移實現阻值調控，這與生物神經網絡中的突觸和神經元的工作機理很相似，這就啟發我們利用憶阻器通過類腦計算的方式來實現高效的神經信號處理，將憶阻器作為連接生物神經與電子系統的天然橋梁，因此我們這項研究就是嘗試利用憶阻器的仿生特性來構建新型腦機接口，以期在功耗和速度等方面比傳統CMOS電路更有優勢。


Q：研究過程中遇到哪些挑戰？

A：我們研究過程中遇到的最大挑戰之一是如何利用憶阻器陣列來實現高階的濾波器組，以得到足夠高精度的濾波結果用於後一級神經網絡的分類。這個挑戰包括如何用憶阻器直接處理以模擬形式輸入的信號，如何將濾波器係數高精度地映射為憶阻器電導值，如何克服器件電導波動以及不同輸入電壓下電導不完全一致對計算結果產生的不良影響等具體問題。解決問題的過程中，我們團隊在基於憶阻器的存算一體研究方面積累的經驗起到了關鍵的作用。


另外，腦機接口領域本身就是一個非常活躍的交叉學科領域，作為一種新器件，憶阻器的引入一定程度上增加了研究的難度，同時也帶來了新的機遇。我們團隊和洪波老師團隊合作，充分利用對各自領域的理解和技術積累，解決了研究中因跨領域帶來的一系列問題。比如，在設計濾波器時，綜合考慮了識別癲癇的腦電頻段需求和器件規模對計算結果的影響；在設計憶阻器神經網絡類型和規模時，研究了不同癲癇生物標誌物選擇的影響等。


Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？

A：我們的研究為腦機接口構建了高效的神經信號分析系統，可以用於幫助治療某些神經系統的疾病，比如癲癇、帕金森病等；同時還可以作為探究大腦的工作機理的重要工具。我們提出用仿生的類腦計算器件來構建基於憶阻器的腦機接口，可以為醫療電子、生物醫學等領域提供新的研究思路。

相關焦點

  • 中國科學家提出基於憶阻器陣列的新型腦機接口
    清華大學研發的基於憶阻器陣列的腦電信號處理系統正在測試中。圖片由清華大學提供新華社北京9月22日電（記者郭穎）腦機接口技術作為信息科學與神經科學等多學科交叉融合的前沿領域，在康復醫學、醫療電子等領域得到了廣泛關注與應用。來自清華大學的科研團隊提出基於憶阻器陣列的新型腦機接口，相關研究成果日前在線發表於《自然·通訊》。
  • 清華團隊提出新型腦機接口，功效提升400多倍
    現有大多數腦機接口的信號處理模塊採用的是傳統的馮 · 諾伊曼結構。處理信號的過程中，需要將模擬神經信號轉換成數位訊號，之後再進行處理。這種信號處理方式與大腦的工作方式不同，轉換和壓縮會造成大功耗和信號延遲，還會導致信息丟失、難處理並行計算，從而降低信號處理的準確性。
  • 「腦機接口」技術:讓「腦控」成為現實
    這得益於「腦機接口」技術的創新發展，自上世紀70年代「腦機接口」技術誕生以來，經過近半個世紀的發展，如今已能實時捕捉大腦複雜神經信號，並用來直接控制外部設備，使得人和機械可以作為一個生命不同組成部分而共存。人腦思維控制外部物體不再是幻想，電影中的科幻情景已開始大步走進人們的生活。
  • 我國科學家構建新型光學腦—腦接口 信息傳遞速率達到4.1比特/秒
    埃隆·馬斯克展示的腦機接口系統曾引發刷屏。如果不只讓腦機相連，而直接實現腦與腦的信息傳輸，又會怎樣?科技日報記者24日從北京腦科學與類腦研究中心了解到，該中心羅敏敏實驗室利用光纖記錄和光遺傳學激活技術構建了一個光學腦—腦接口，在兩隻小鼠間實現了高速率的運動信息傳遞，從原理上驗證了腦—腦接口跨個體精確控制動物運動的可能性。研究結果發表在《中國科學：生命科學》雜誌上。
  • 什麼是「腦機接口」？馬斯克的「腦機接口」能幹啥？
    ）將被高緯度腦機接口的輸出信號精確控制，同時腦機接口的輸入信號，即傳感器的信號 ，將送達到皮層感覺區。腦機接口需要適應不穩定的信號環境和配備具有更好的感覺-運動系統的假體。對於皮層內部的植入物，主要的挑戰是生物相容性、植入物隨時間的退化、植入物因機體組織受損（如血腦屏障破裂、神經退行性疾病等）而失靈。
  • 腦活動可被翻譯成句子,美科學家用腦機接口高效解碼神經活動
    據英國《自然·神經科學》雜誌3月30日發表的一項腦機接口最新研究，美國科學家報告了一種能夠以較高準確率解碼神經活動，並將其翻譯為句子的機器翻譯算法。當人類思考時，大腦皮層中的神經元會產生微小的電流，不同的思考活動，激活的神經元也不同——這就是腦機接口技術所依靠的原理。
  • 腦機接口：當下的「近」與未來的「遠」|GMIC在線Pro觀察
    ，該實驗證明了高齡患者利用植入式腦機接口進行複雜而有效的運動控制的可行性。 同樣是腦機接口技術的研究，來自清華大學的科研團隊也在今年9月份提出基於憶阻器陣列的新型腦機接口，相關研究成果日前發表於《自然·通訊》。
  • 「腦控」成真?「腦機接口」技術或讓「讀心術」成為現實
    「腦機接口」技術要發展成熟，遇到的核心技術難點包括大腦神經生物信號採集及處理、人機高效協同等。如何高效採集到腦電信號並成功「解碼」，能否將人腦的思維活動轉換為指令信號，都考驗著涉及機械動力、機器學習、神經科學、認知科學、信息工程等相關技術領域的研究水平。 　　還記得在2014年巴西世界盃開幕式上，一名癱瘓少年通過大腦控制外骨骼開出的那一球嗎？
  • 腦控萬物,BrainCo發布腦機接口人類智能作業系統BrainOS
    △侵入式腦機接口技術這一技術的優點是能夠直接從大腦皮層獲取信息，避免神經信號因顱骨阻隔而衰減。缺點也顯而易見：開顱手術仍存在風險，且植入的電極在一年後就會被疤痕組織所包圍，影響神經信號的傳輸。因此，有創腦機接口目前仍針對截癱病人等擁有特殊需求的人群，難以普及。而BrainOS系統，採用的卻是無創的非侵入式混合腦機接口技術。通過佩戴設備，系統可以收集、處理人體的腦電信號（EEG）和肌電信號（EMG）。這種方式對植入者身體不需要造成創口，從倫理上來說更容易被普通大眾接受，且維護成本較低。
  • 腦控萬物 BrainCo發布腦機接口人類智能作業系統BrainOS
    而根據系統與人腦的連接方式，又可被分為有創和無創腦機接口兩種類型。像前文提到的Neuralink公司，正是採用了有創腦機接口技術。該技術需要將電路、晶片通過開顱手術等方式植入人腦。△侵入式腦機接口技術這一技術的優點是能夠直接從大腦皮層獲取信息，避免神經信號因顱骨阻隔而衰減。缺點也顯而易見：開顱手術仍存在風險，且植入的電極在一年後就會被疤痕組織所包圍，影響神經信號的傳輸。
  • 記憶加電阻的記憶電阻器,為腦機接口提供新可能_科技_澎湃新聞-The...
    文/陳根「腦機接口」作為前沿科技研究的熱點技術，一直頗受業界關注。2017年，馬斯克成立腦機接口公司Neuralink，兩年後，馬斯克和他的Neuralink團隊發布了其首款產品，即「腦後插管」新技術。
  • 2020上海國際腦機接口行業發展應用大會
    「機」意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到矽晶片到外部設備和輪椅。「接口」 = 「用於信息交換的中介物」。 「腦機接口」的定義=「腦」+機「+」接口」。即，在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間創建的用於信息交換的連接通路。
  • 馬斯克腦機接口試驗成功刷屏！對人類意味著什麼：
    ，其腦部活動信號可以被實時讀取。這個實驗具體實現路徑，就是在腦上打一個孔，將「Link」晶片放入，整個過程只需要一個小時，專用的自動手術機器人就可以完成。「Link」的設備約為硬幣大小，由其旗下的腦機接口公司——「神經連接」公司開發，這一設備可通過藍牙實時連接智慧型手機，電池續航時間為一整天。可以多個晶片同時植入。
  • 腦科學「從軍」會帶來什麼?
    因此，開發出腦保護與認知增強方面的新型技術手段，是保障和提升軍事作業效能的基本要求。面對戰場需求，軍事腦科學有望在新型神經再生修復技術、革新性神經調控技術、認知訓練增強方案等方面推出重要研究成果和保障措施。
  • 河北日報:腦機接口,開啟「終極交互」
    河北省科學院應用數學研究所副研究員王志強博士向記者介紹，「這項技術研究的核心就是調整人腦和腦機接口系統之間的相互適應關係，尋找出合適的信號處理與轉換算法，實時、快速、準確地把腦電信號轉換成可以被計算機或其他電子設備識別輸出控制的信號或命令。」     聽上去簡單，做起來卻很難。
  • 從科幻到現實再到生活，腦機接口那些年
    在遙遠的「人機」預言實現以前，回到腦機接口技術最初的醫學使命，也將幫助我們更多地靠近腦機接口的現實真相。腦機接口那些年腦機接口作為一種不依賴於外周神經和肌肉正常傳出路徑的通訊控制系統可以採集並分析大腦生物電信號，並在計算機等電子設備與大腦之間構建交流與控制的直接路徑。
  • 科學家利用微米級機器人實現體外腦神經操控，腦科學迎來新突破
    （DGIST）科研團隊發布最新研究成果，他們設計並構建了3D電磁驅動的微米級微型機器人，將小鼠胚胎的顱腦神經細胞附著在其表面，通過體外連接方式，在顯微鏡下精準移動並控制神經細胞，建立針對基礎腦科學領域的人工神經網絡平臺，實現人類通過體外形式利用機器人操控腦神經網絡的夢想。
  • 從醫學使命到現實真相,腦機接口道阻且長
    在遙遠的「人機」預言實現以前，回到腦機接口技術最初的醫學使命，也將幫助我們更多地靠近腦機接口的現實真相。腦機接口那些年腦機接口作為一種不依賴於外周神經和肌肉正常傳出路徑的通訊控制系統可以採集並分析大腦生物電信號，並在計算機等電子設備與大腦之間構建交流與控制的直接路徑。
  • 什麼是腦機接口技術？
    腦機接口，是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接，從而實現腦與設備的信息交換。當人類思考時，大腦皮層中的神經元會產生微小的電流。人類進行不同的思考活動時，激活的神經元也不同。而腦機接口技術便可以靠直接提取大腦中的這些神經信號來控制外部設備，它會在人與機器之間架起橋梁，並最終促進人與人之間的溝通，創造巨大價值。其實在很早之前，科學家就已經有了製造早期腦機接口技術的想法，但由於技術的限制，一直沒有什麼實質性的進展。在此後的時間裡，人們針對該技術的算法和應用不斷創新。
  • 科學家研究腦機接口:可用於「植物人」意識檢測
    捕捉微弱腦信號提取分析和解讀都是難題　　華南理工大學自動化科學與工程學院院長、腦機接口與腦信息處理研究中心主任李遠清研究腦機接口技術已經11年。　　腦機接口是在人或動物大腦與外部設備間建立起直接通路，其大致原理是：系統採集用戶的腦信號(如腦電波)，並將腦信號輸入計算機進行實時處理，挖掘出反映人腦意圖的信息，進一步將這些信息變成控制指令，來實時控制外部設備。外部設備的控制效果又反饋給用戶，用戶可以依據這個反饋來調整腦控制策略，進一步提高控制效率。　　通過腦機接口，人腦可以直接控制外部設備。