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往常我們提到意念控制、大腦控制總是會(huì)浮現(xiàn)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(yuǎn)，然而隨著技術(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(shè)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了諸如，腦控機(jī)器人、腦控直升飛機(jī)以及還有何虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的想象應(yīng)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(shì)，就能操控外界的設(shè)備，這種技術(shù)被叫做——腦機(jī)接口。腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)如此火爆是因?yàn)椋^(guò)去只能由醫(yī)院大型設(shè)備才能做到的大腦檢測(cè)，現(xiàn)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(shè)備完成。 當(dāng)然，現(xiàn)階段的技術(shù)還與科幻電影中的“心想事成”相差很遠(yuǎn)。例如，日經(jīng)商務(wù)周刊上報(bào)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(xiàn)“1”或“2”的形狀才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)。而要實(shí)現(xiàn)用腦電波檢測(cè)出較為復(fù)雜的思維（比如地點(diǎn)或更多復(fù)雜的目標(biāo)方式）現(xiàn)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(jù)血液中的含氧量來(lái)檢測(cè)大腦活動(dòng)狀態(tài)。這種方式相比腦電波檢測(cè)，在讀取大腦信息上會(huì)更為詳細(xì)。更有機(jī)構(gòu)把島津制作所的NIRS技術(shù)與腦電波技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這樣能實(shí)現(xiàn)更多樣的大腦操控活動(dòng)。 下面我們來(lái)詳細(xì)了解目前已有的幾種實(shí)現(xiàn)“意念操控”的腦機(jī)接口技術(shù)。 腦機(jī)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(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)與體內(nèi)或體外設(shè)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(shè)備都屬于腦機(jī)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(nèi)部植入設(shè)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(jī)接口技術(shù)，以下摘自其系列文章。 現(xiàn)階段腦機(jī)接口的主要目標(biāo)是通過(guò)電極讀取運(yùn)動(dòng)皮層的電信號(hào)，從而控制鼠標(biāo)光標(biāo)、機(jī)械手臂，或者電刺激控制人體肌肉運(yùn)動(dòng)。腦機(jī)接口具有改變?nèi)伺c人交互方式的潛在價(jià)值。 腦機(jī)接口需要讀取大腦皮層的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行分析。讀取信號(hào)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(jī)接口和侵入式腦機(jī)接口，區(qū)別在于是否需要植入傳感器。 非侵入式的腦機(jī)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(fèi)級(jí)玩具最多的腦電圖（EEG），只能測(cè)量大量神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)的疊加電位，即所謂的“腦波”，而無(wú)法檢測(cè)更具體的神經(jīng)信號(hào)，空間分辨率非常低。雪上加霜的是，由于顱骨對(duì)信號(hào)的衰減作用，因此隔著顱骨很難讀取到有用的腦活動(dòng)信號(hào)，并且大腦幾百億個(gè)細(xì)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(jī)接口如果想達(dá)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(jī)，通過(guò)拍攝一個(gè)人的影子來(lái)判斷這個(gè)人的長(zhǎng)相”一樣困難，所以腦機(jī)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(cè)最粗糙的腦電位信號(hào)，DARPA（美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃研究署）也能實(shí)現(xiàn)一些超出玩具的、真正提高生產(chǎn)力的應(yīng)用案例，比如：加速學(xué)習(xí)計(jì)劃Accelerated Learning和神經(jīng)技術(shù)提升情報(bào)分析 Neurotechnology for Intelligence Analysts (NIA)。 加速學(xué)習(xí)計(jì)劃主要專(zhuān)注于非侵入性測(cè)量與任務(wù)學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)和其他生理數(shù)據(jù)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)個(gè)人學(xué)習(xí)效率翻倍。 神經(jīng)技術(shù)提升情報(bào)分析計(jì)劃的目標(biāo)是利用非侵入式腦電位記錄，開(kāi)發(fā)新型腦機(jī)接口系統(tǒng)，以顯著提高圖像情報(bào)分析的效率。NIA的工作流程：對(duì)于俯拍圖像進(jìn)行分割，通過(guò)腦電快速檢測(cè)篩選目標(biāo)。 功能性核磁共振(fMRI) 由于神經(jīng)細(xì)胞本身并沒(méi)有儲(chǔ)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(yàn)者播放影像，通過(guò)fMRI讀取血氧信號(hào)，把已知的影像特征與血氧信號(hào)結(jié)合，從而通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)得到模型，破 解大腦的視覺(jué)原理，重建實(shí)驗(yàn)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(hào)并不同步，血氧信號(hào)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(jié)果與原圖對(duì)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(shè)備小型化的物理極限是手機(jī)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(cè)量大腦活動(dòng)。區(qū)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(duì)于近紅外光的散射性變化：特定光源向用戶(hù)投射光線，由圖像傳感器通過(guò)光學(xué)窗口監(jiān)測(cè)血管的圖像數(shù)據(jù)，血液顏色由于氧含量的變化產(chǎn)生改變。 與fMRI對(duì)比，fNIRS成本較低，比如日本日立高新技術(shù)的消費(fèi)級(jí)腦活動(dòng)檢測(cè)裝置預(yù)計(jì)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?yàn)橐揽看竽X內(nèi)部的血流變化過(guò)程，難以檢測(cè)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(jiān)測(cè)血氧來(lái)推算心率，該功能尚未開(kāi)放給應(yīng)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(yī)護(hù)人員識(shí)別患者皮下細(xì)微血管進(jìn)行精準(zhǔn)穿刺，比肉眼識(shí)別效果更好。 腦磁圖（MEG） 根據(jù)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(cè)繪腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞脈沖電流產(chǎn)生的生物磁場(chǎng)，來(lái)間接推算大腦內(nèi)部的神經(jīng)電活動(dòng)。腦磁測(cè)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?yàn)槊舾卸雀撸菀资艿江h(huán)境干擾，所以需要嚴(yán)密的電磁場(chǎng)屏蔽室，并且設(shè)備昂貴笨重。 在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，MEG主要用于活動(dòng)時(shí)間測(cè)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(zhǎng)補(bǔ)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(zhǎng)補(bǔ)短。2010年日本國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)技術(shù)研究所（ATR）和日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）開(kāi)發(fā)出了通過(guò)非侵入式測(cè)量，連續(xù)推斷并再現(xiàn)用戶(hù)指尖動(dòng)作二維坐標(biāo)的腦機(jī)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(jié)合。雖然在性能和實(shí)際效果方面達(dá)到了非侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域的頂尖水平，但是這兩種設(shè)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(jié)合也可利用此次的技術(shù)。 隨后2014年，日本國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)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(jī)接口，演示了通過(guò)腦機(jī)接口執(zhí)行開(kāi)電視、開(kāi)空調(diào)、開(kāi)燈三種動(dòng)作。根據(jù)實(shí)時(shí)腦活動(dòng)判斷用戶(hù)意圖，準(zhǔn)確率達(dá)到84％。 該腦機(jī)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(cè)用戶(hù)的不適感等情緒。與上面的技術(shù)方案相比效果嚴(yán)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(duì)于老年人和殘疾人還不如直接用語(yǔ)音識(shí)別控制。 |
