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往常我們提到意念控制、大腦控制總是會(huì )浮現出許多科幻電影中的場(chǎng)景，似乎，這種技術(shù)距離我們很遠，然而隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)，我們的大腦真的開(kāi)始成為新的“輸入設備”。 有人大概還記得，2014年巴西世界杯開(kāi)幕式上，一名殘疾少年在腦控外骨骼的幫助下完成開(kāi)球的一幕。實(shí)際上，已經(jīng)有不少團隊開(kāi)發(fā)了諸如，腦控機器人、腦控直升飛機以及還有何虛擬現實(shí)結合的想象應用等等。 通過(guò)讀取大腦的活動(dòng)，人們不用動(dòng)手或做出其他姿勢，就能操控外界的設備，這種技術(shù)被叫做——腦機接口。腦機接口的開(kāi)發(fā)如此火爆是因為，過(guò)去只能由醫院大型設備才能做到的大腦檢測，現在已經(jīng)可以通過(guò)腦電波儀、近紅外光腦成像(NIRS)等小型設備完成。 當然，現階段的技術(shù)還與科幻電影中的“心想事成”相差很遠。例如，日經(jīng)商務(wù)周刊上報道的金澤工業(yè)大學(xué)中澤實(shí)教授的“意念”操作輪椅，是需要通過(guò)用戶(hù)在大腦中選擇浮現“1”或“2”的形狀才能實(shí)現機械的轉動(dòng)。而要實(shí)現用腦電波檢測出較為復雜的思維（比如地點(diǎn)或更多復雜的目標方式）現階段還是很困難的。 除了腦電波，還有其他的一些采集大腦活動(dòng)信息的技術(shù)方式。島津制作所就利用近紅外分光光度法（NIRS）”，根據血液中的含氧量來(lái)檢測大腦活動(dòng)狀態(tài)。這種方式相比腦電波檢測，在讀取大腦信息上會(huì )更為詳細。更有機構把島津制作所的NIRS技術(shù)與腦電波技術(shù)結合起來(lái)，這樣能實(shí)現更多樣的大腦操控活動(dòng)。 下面我們來(lái)詳細了解目前已有的幾種實(shí)現“意念操控”的腦機接口技術(shù)。 腦機接口，又稱(chēng)BMI , 是在大腦與外部環(huán)境建立的神經(jīng)信息交流與控制的通道，實(shí)現中樞神經(jīng)系統與體內或體外設備之間的直接交互。從廣義上來(lái)說(shuō)，凡是將大腦與外部環(huán)境進(jìn)行連接的設備都屬于腦機接口領(lǐng)域。在一些學(xué)術(shù)論文中，它分為有創(chuàng )和無(wú)創(chuàng )兩種，有創(chuàng )是指在大腦內部植入設備，而無(wú)創(chuàng )則是在外部建立與大腦的連接。 PingWest特約作者嘯語(yǔ)為我們具體介紹了目前的這幾種腦機接口技術(shù)，以下摘自其系列文章。 現階段腦機接口的主要目標是通過(guò)電極讀取運動(dòng)皮層的電信號，從而控制鼠標光標、機械手臂，或者電刺激控制人體肌肉運動(dòng)。腦機接口具有改變人與人交互方式的潛在價(jià)值。 腦機接口需要讀取大腦皮層的神經(jīng)活動(dòng)信號，并進(jìn)行分析。讀取信號的原理可以在下圖總覽，具體可以分為兩類(lèi)，非侵入式腦機接口和侵入式腦機接口，區別在于是否需要植入傳感器。 非侵入式的腦機接口技術(shù)主要有下面這幾種： 腦電（EEG） 其中門(mén)檻最低，也是消費級玩具最多的腦電圖（EEG），只能測量大量神經(jīng)細胞電活動(dòng)的疊加電位，即所謂的“腦波”，而無(wú)法檢測更具體的神經(jīng)信號，空間分辨率非常低。雪上加霜的是，由于顱骨對信號的衰減作用，因此隔著(zhù)顱骨很難讀取到有用的腦活動(dòng)信號，并且大腦幾百億個(gè)細胞的電活動(dòng)，是不可能僅靠外面幾個(gè)電極推算出來(lái)的，基于腦電圖（EEG）的非侵入式腦機接口如果想達到上圖其他技術(shù)的分辨率，就像“在沙塵暴中利用幾個(gè)或者幾十個(gè)像素的相機，通過(guò)拍攝一個(gè)人的影子來(lái)判斷這個(gè)人的長(cháng)相”一樣困難，所以腦機接口技術(shù)真正的進(jìn)步要指望的并不是某些玩具生產(chǎn)商。 盡管如此，通過(guò)檢測最粗糙的腦電位信號，DARPA（美國國防部先進(jìn)計劃研究署）也能實(shí)現一些超出玩具的、真正提高生產(chǎn)力的應用案例，比如：加速學(xué)習計劃Accelerated Learning和神經(jīng)技術(shù)提升情報分析 Neurotechnology for Intelligence Analysts (NIA)。 加速學(xué)習計劃主要專(zhuān)注于非侵入性測量與任務(wù)學(xué)習相關(guān)的神經(jīng)和其他生理數據，最終目標是實(shí)現個(gè)人學(xué)習效率翻倍。 神經(jīng)技術(shù)提升情報分析計劃的目標是利用非侵入式腦電位記錄，開(kāi)發(fā)新型腦機接口系統，以顯著(zhù)提高圖像情報分析的效率。NIA的工作流程：對于俯拍圖像進(jìn)行分割，通過(guò)腦電快速檢測篩選目標。 功能性核磁共振(fMRI) 由于神經(jīng)細胞本身并沒(méi)有儲存糖類(lèi)或者氧，而神經(jīng)元放電必然消耗能量，因此血氧水平（blood oxygenlevel-dependent, 血氧依賴(lài)水平）可以間接反映神經(jīng)元活動(dòng)。給實(shí)驗者播放影像，通過(guò)fMRI讀取血氧信號，把已知的影像特征與血氧信號結合，從而通過(guò)機器學(xué)習得到模型，破 解大腦的視覺(jué)原理，重建實(shí)驗者看到的人臉，甚至還可以讀取夢(mèng)境。 fMRI的缺點(diǎn)在于血氧變化與神經(jīng)電信號并不同步，血氧信號的峰值一般比神經(jīng)活動(dòng)滯后6s左右。 通過(guò)血氧重建視覺(jué)的結果與原圖對比，來(lái)自理論物理學(xué)家和科普作家加來(lái)道雄的演講ppt，他表示MRI設備小型化的物理極限是手機尺寸。 功能性近紅外光腦成像（fNIRS） 功能性近紅外光腦成像（fNIRS），與剛才介紹的功能性磁共振成像（fMRI）類(lèi)似，都是利用血流和血氧變化來(lái)測量大腦活動(dòng)。區別在于fMRI利用磁陣造影成像，而fNIRS則利用血管中血紅蛋白對于近紅外光的散射性變化：特定光源向用戶(hù)投射光線(xiàn)，由圖像傳感器通過(guò)光學(xué)窗口監測血管的圖像數據，血液顏色由于氧含量的變化產(chǎn)生改變。 與fMRI對比，fNIRS成本較低，比如日本日立高新技術(shù)的消費級腦活動(dòng)檢測裝置預計價(jià)格1萬(wàn)至1.5萬(wàn)日元（約合人民幣507至760元），有望2016年產(chǎn)品化。但是fNIRS空間分辨率低。從腦活動(dòng)到血流變化存在5秒左右的時(shí)間延遲，因此其實(shí)時(shí)性比上篇提到的EEG要差。并且因為依靠大腦內部的血流變化過(guò)程，難以檢測大腦瞬間的變化，因此時(shí)間分辨率也較低。 類(lèi)似的原理也用在了Apple watch背部的傳感器，通過(guò)監測血氧來(lái)推算心率，該功能尚未開(kāi)放給應用開(kāi)發(fā)者。 類(lèi)似的原理也用在了中科微光的投影式紅外血管成像儀，將皮下血管原位投影顯示在皮膚表面，幫助醫護人員識別患者皮下細微血管進(jìn)行精準穿刺，比肉眼識別效果更好。 腦磁圖（MEG） 根據麥克斯韋方程，任何電流都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)正交磁場(chǎng)。腦磁圖（Magnetoencephalography ，MEG）主要通過(guò)測繪腦內神經(jīng)細胞脈沖電流產(chǎn)生的生物磁場(chǎng)，來(lái)間接推算大腦內部的神經(jīng)電活動(dòng)。腦磁測量不容易受到介質(zhì)的影響，所以空間分辨率比EEG更高。但是因為敏感度高，容易受到環(huán)境干擾，所以需要嚴密的電磁場(chǎng)屏蔽室，并且設備昂貴笨重。 在實(shí)際應用當中，MEG主要用于活動(dòng)時(shí)間測量。 MEG可以解決事件具有10毫秒或更高的時(shí)間精度，而功能性磁共振成像（fMRI）依賴(lài)于血流變化，時(shí)間分辨率最高只有幾百毫秒。 多種技術(shù)配合，取長(cháng)補短 非侵入式的幾種手段都存在各自的不足，因此需要多種技術(shù)配合，取長(cháng)補短。2010年日本國際電氣通信基礎技術(shù)研究所（ATR）和日本信息通信研究機構（NICT）開(kāi)發(fā)出了通過(guò)非侵入式測量，連續推斷并再現用戶(hù)指尖動(dòng)作二維坐標的腦機接口。具體為，將時(shí)間分辨能力高的腦磁（MEG）和空間分辨能力高的核磁共振（fMRI）結合。雖然在性能和實(shí)際效果方面達到了非侵入式腦機接口領(lǐng)域的頂尖水平，但是這兩種設備都有昂貴笨重的缺點(diǎn)，因此為了實(shí)用化，也在開(kāi)發(fā)使EEG和NIRS相結合也可利用此次的技術(shù)。 隨后2014年，日本國際電氣通信基礎技術(shù)研究所（ATR）等聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了輔助老年人及殘疾人日常生活的低成本腦機接口，演示了通過(guò)腦機接口執行開(kāi)電視、開(kāi)空調、開(kāi)燈三種動(dòng)作。根據實(shí)時(shí)腦活動(dòng)判斷用戶(hù)意圖，準確率達到84％。 該腦機接口以近紅外光腦成像（NIRS）為主，只用于操控家電。而腦電EEG輔助，只用于檢測用戶(hù)的不適感等情緒。與上面的技術(shù)方案相比效果嚴重縮水，最后的總體延遲時(shí)間為17秒左右，這樣的時(shí)間延遲，對于老年人和殘疾人還不如直接用語(yǔ)音識別控制。 |
