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脑机接口科普0008——侵入式与非侵入式

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今天,我们要学习三个词:EEG,ECoG,以及LFP

这三个缩写词,跟我们要讨论的侵入式脑机接口非侵入脑机接口有关。

什么是侵入式脑机接口?

就是把你大脑扒拉开,然后对你脑子做点操作,这个就是侵入式。

顾名思义:凡是,对人的大脑做手术的,无论是大手术,还是轻微的微创手术,这个就是侵入式的。因为“侵犯”你的大脑了。

那什么是非侵入式脑机接口?

很简单,与侵入式对应,非侵入式就是不需要做手术。

上面这张图,是人的大脑的横切面图。上面标明了数字1、2、3

其中数字1 所在的位置就是对应的EEG ,是非侵入式的。数字2和3 所在的位置,就是对应的侵入式的,数字2代表的是ECoG,数字3代表的是LFP。

从上图来看,最上面,是人的头皮。这个人的头皮,我们用手可以摸到。这个头皮上长了我们的头发(当然也有人剃光头。。。。)

如果用手术刀,把你的头皮给割开,还没有一下子看到你的头骨(就是骷髅头那个骨头)。你会看到有一点点软组织覆盖在头骨上面。

再切开这个软组织,你就会看到头骨。

人类的头骨很结实,紧密程度非常好。一般情况下,很难用工具把这个头骨完整的打开。

所以如果你有机会去医院的脑科,看看做的脑科手术,那里面的医生都会准备锯子,铁铲,钢钉。。。。。。这些玩意。不知道的还以为这些医生是做木工的。

做脑科手术很简单粗暴,用电锯,把头盖骨锯下来,或者用个小锤子把头盖骨敲个洞,然后做手术,昨晚手术之后,再用钢钉把头盖度钉起来。

因为我不是专业的医生,所以有些专业的器材描述,可能不是那么专业,从外行的角度,就这么叫这些工具了。

由于真实的脑子打钢钉,比较血腥,一些人看了之后会有心理不适感,因此,给大家附了上图一个3D效果图。

如果要完整的看脑科手术如何取出肿瘤的,请参看这个视频:

3D动画展示,带你了解开颅手术的全过程,大脑里原来是这样的,科学,科普,好看视频

 把头骨打开之后,会看到有个硬脑膜。

硬脑膜很薄,下面你就可以看到大脑皮层了。

什么叫大脑皮层?

就是这玩意。就是大脑皮层。

既然有大脑皮层,那是不是有“大脑内层”? 

那当然是有了

上图中最大的一块粉红色的东西,就是大脑皮层。大脑皮层包裹了一些东西,这些东西在大脑内部,里面包含了垂体、丘脑等等。这些东西有一些用处,后面会介绍。

总之,大脑皮层发育的越好,一般这个动物群体就越聪明。

有些动物就只有大脑里面的东西(俗称爬行脑,所谓的爬行脑,就是所有爬行动物都具有的大脑组成部分),有些动物大脑外面的东西(大脑皮层)就没发育好,没发育的像人类那么完善,因此,没有人类聪明。

上面那个大脑你看起来五颜六色的,其实,大脑是白色的。

像豆腐花一样。

之前看吴京演的一个特种兵电视剧,里面的教官有天突然请大家吃豆腐脑,所有人都乐乎的吃起来,吴京不肯吃。后来教官带他们去枪毙现场,现场观看枪毙死刑犯。那些吃了豆腐脑的人,现场都吐了。

其实大脑里面都是脂肪。很厚很厚的脂肪。而且大脑是没有痛觉神经的。

所以,你可以看到一边做脑科手术,一边弹吉他:

新闻链接:音乐老师患上“音乐家手”,边弹吉他边进行开颅手术

 因为感觉不到疼痛感,所以可以一边做手术一边弹吉他。

介绍完以上的,就可以介绍三个专有名词了:EEG,ECoG,以及LFP

再继续看本文第一张图:

图中数字1、2、3其实就是电极。

什么是电极?就是小铁片。铁片是可以导电的。小铁片就可以采集到电信号,并且导电,把电信号传输出去供人分析,画出脑电图。

事实上,实际采集的脑电的时候,不可能仅仅是采用一个小铁片作为电极。有其他复杂材料做成导电的东西作为电极。

如果这个电极,贴在人的头皮,像图中1所示,那么这个采集到的脑电信号,就叫做EEG.

如果扒拉开你的头盖骨,看到你白花花的像豆腐花一样的脑子的时候,在你的白花花的像肠子一样脑子表皮放个像芯片一样的电极,那么这时候采集到的脑电,就叫做ECoG.

如果扒拉开你的头盖骨,看到白花花的脑子后,还觉得不过瘾,采用像图中3 一样的小针一样的电极,实实在在插进去,插到你白花花的豆腐花里面(是不是感觉到脑子一紧!!!!),这时候,采集到的脑电,就叫做LFP。

很明显,第一种EEG,不需要做手术开颅,是非侵入式的

第二种ECoG和第三种LFP,是需要做手术的,是侵入式的

很明显,1、2、3种,普通人是越来越不能接受。

讲到第二种的时候嘛,普通人还稍微能接受,因为我们经常看到一些电影,特工就会在皮肤表面安插一个芯片,用于窃听,定位啥的。

讲到第三种的时候,普通人是完全不能接受的。用个头发丝那么细小的像针一样的东西,插入到脑子里。菊花都一紧是吧。你都会莫名的感觉到疼痛(实际上,你感觉不到疼,因为刚才说了,大脑里面是脂肪,没有痛觉神经)。

EEG ,英文单词electroencephalograpm.取的是这个英文单词的三个字母。

electro是代表电,电子相关的

encephalon是代表脑

grapm是代表图

所以EEG就是脑电图。

ECoG,英文单词是: e lectro co rtico g raphy
co rtico代表是皮质的。
所以ECoG是皮层脑电信号。(正好对应的是电极贴在大脑的表面皮层)
LFP,英文单词是 l ocal f ield p otentials。翻译过来就是局部场电位。
为什么上图中LFP前面还会有个英文单词spikes(尖峰,或者叫尖峰电位)?
首先解释一下spikes 尖峰电位。
大脑的神经元会进行放电。我们知道,家里普通的电灯开关在开关的时候,还会产生电火花(这个所谓的电火花,就是尖峰,瞬间电压很大)。
那脑电的神经元在放电的过程中,也会产生一个尖峰。如果用一个小针一样的电极插入到人的脑子里面,就会采集到这个尖峰电压(spikes).
其次,解释一下LFP局部场电位。这个词需要分解为三个来解释。
第一,局部。图中那一排排针,插入到人的脑子里面,图中看起来很大,实际没多大,就那么一小块。也就是说,这个一排针一样的电极,就采集到人的大脑那么一小块区域的脑电信号,别的大脑的脑电信号它也采集不到。所以叫局部。通俗的解释就是,大脑是个球,面积是100平方厘米的话,它采集到的区域可能才有1平方厘米。
第二,场。场这词语,来源于物理。有电场,有磁场。甚至还有所谓的气场。
物理学中,对场的定义是:指某种空间区域,其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力。
也就是说,这个针,插入到人的脑子里面,插入到神经元之间了(神经元是细胞,很小很小的),这个针,毕竟还是人的肉眼可见的。然后这个神经元放电,放的电,就会被这个针捕获到(有点类似于避雷针一样)。那么这个电场,其实就是对这个针做了一些动作,施加了一些力。(我们都知道,电磁是不分家的,电磁是可以互相转换的,电场和磁场都会对里面的东西施加力的作用)当然了,这个力很小,小到怎么测量,都是一个问题。
所以,这就是LFP里面的场。
第三个,就是电位。上面说了,神经元放电,会产生电压。
综上所述,为什么LFP 会写成S pikes & LFPs ? 就是因为电极插入到人脑子里面,可以采集到神经元尖峰放电,可以在神经元尖峰放电这个场中采集到电信号。而且采集到的电信号,只局限在一个小区域里,所以叫做局部场电位。
所以,后面如果你在读书的时候,或者在听别的学者专家做报告的时候,听到EEG,ECoG,和LFP的,你就知道,这三个玩意讲的是啥。
最后,以一张国内做侵入式脑机接口的图片作为结束。看到这个大爷的头顶上的东西了吗?这个就是上文说的小针(专业术语叫做犹他针),实实在在的插入到大爷的脑子里了。是不是感觉到很恶心?是不是感觉到身体很不适?
恶心和不适是正常的。学医的人接触到的恶习的事比你多了去了,你仅仅看的是图片,人家看的是实实在在的实物。
人总要学会接受不适应的东西的。

 

 

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