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往常我們提到意念控制、大腦控制總是會浮現出許多科幻電影中的場景，似乎，這種技術距離我們很遠，然而隨著技術的發展推進，我們的大腦真的開始成為新的“輸入設備”。 有人大概還記得，2014年巴西世界杯開幕式上，一名殘疾少年在腦控外骨骼的幫助下完成開球的一幕。實際上，已經有不少團隊開發了諸如，腦控機器人、腦控直升飛機以及還有何虛擬現實結合的想象應用等等。 通過讀取大腦的活動，人們不用動手或做出其他姿勢，就能操控外界的設備，這種技術被叫做——腦機接口。腦機接口的開發如此火爆是因為，過去只能由醫院大型設備才能做到的大腦檢測，現在已經可以通過腦電波儀、近紅外光腦成像(NIRS)等小型設備完成。 當然，現階段的技術還與科幻電影中的“心想事成”相差很遠。例如，日經商務周刊上報道的金澤工業大學中澤實教授的“意念”操作輪椅，是需要通過用戶在大腦中選擇浮現“1”或“2”的形狀才能實現機械的轉動。而要實現用腦電波檢測出較為復雜的思維（比如地點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信息的技術方式。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檢測大腦活動狀態。這種方式相比腦電波檢測，在讀取大腦信息上會更為詳細。更有機構把島津制作所的NIRS技術與腦電波技術結合起來，這樣能實現更多樣的大腦操控活動。 下面我們來詳細了解目前已有的幾種實現“意念操控”的腦機接口技術。 腦機接口，又稱BMI , 是在大腦與外部環境建立的神經信息交流與控制的通道，實現中樞神經系統與體內或體外設備之間的直接交互。從廣義上來說，凡是將大腦與外部環境進行連接的設備都屬于腦機接口領域。在一些學術論文中，它分為有創和無創兩種，有創是指在大腦內部植入設備，而無創則是在外部建立與大腦的連接。 PingWest特約作者嘯語為我們具體介紹了目前的這幾種腦機接口技術，以下摘自其系列文章。 現階段腦機接口的主要目標是通過電極讀取運動皮層的電信號，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。腦機接口具有改變人與人交互方式的潛在價值。 腦機接口需要讀取大腦皮層的神經活動信號，并進行分析。讀取信號的原理可以在下圖總覽，具體可以分為兩類，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主要有下面這幾種： 腦電（EEG） 其中門檻最低，也是消費級玩具最多的腦電圖（EEG），只能測量大量神經細胞電活動的疊加電位，即所謂的“腦波”，而無法檢測更具體的神經信號，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，因此隔著顱骨很難讀取到有用的腦活動信號，并且大腦幾百億個細胞的電活動，是不可能僅靠外面幾個電極推算出來的，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的分辨率，就像“在沙塵暴中利用幾個或者幾十個像素的相機，通過拍攝一個人的影子來判斷這個人的長相”一樣困難，所以腦機接口技術真正的進步要指望的并不是某些玩具生產商。 盡管如此，通過檢測最粗糙的腦電位信號，DARPA（美國國防部先進計劃研究署）也能實現一些超出玩具的、真正提高生產力的應用案例，比如：加速學習計劃Accelerated Learning和神經技術提升情報分析 Neurotechnology for Intelligence Analysts (NIA)。 加速學習計劃主要專注于非侵入性測量與任務學習相關的神經和其他生理數據，最終目標是實現個人學習效率翻倍。 神經技術提升情報分析計劃的目標是利用非侵入式腦電位記錄，開發新型腦機接口系統，以顯著提高圖像情報分析的效率。NIA的工作流程：對于俯拍圖像進行分割，通過腦電快速檢測篩選目標。 功能性核磁共振(fMRI) 由于神經細胞本身并沒有儲存糖類或者氧，而神經元放電必然消耗能量，因此血氧水平（blood oxygenlevel-dependent, 血氧依賴水平）可以間接反映神經元活動。給實驗者播放影像，通過fMRI讀取血氧信號，把已知的影像特征與血氧信號結合，從而通過機器學習得到模型，破 解大腦的視覺原理，重建實驗者看到的人臉，甚至還可以讀取夢境。 fMRI的缺點在于血氧變化與神經電信號并不同步，血氧信號的峰值一般比神經活動滯后6s左右。 通過血氧重建視覺的結果與原圖對比，來自理論物理學家和科普作家加來道雄的演講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）類似，都是利用血流和血氧變化來測量大腦活動。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：特定光源向用戶投射光線，由圖像傳感器通過光學窗口監測血管的圖像數據，血液顏色由于氧含量的變化產生改變。 與fMRI對比，fNIRS成本較低，比如日本日立高新技術的消費級腦活動檢測裝置預計價格1萬至1.5萬日元（約合人民幣507至760元），有望2016年產品化。但是fNIRS空間分辨率低。從腦活動到血流變化存在5秒左右的時間延遲，因此其實時性比上篇提到的EEG要差。并且因為依靠大腦內部的血流變化過程，難以檢測大腦瞬間的變化，因此時間分辨率也較低。 類似的原理也用在了Apple watch背部的傳感器，通過監測血氧來推算心率，該功能尚未開放給應用開發者。 類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，任何電流都會產生一個正交磁場。腦磁圖（Magnetoencephalography ，MEG）主要通過測繪腦內神經細胞脈沖電流產生的生物磁場，來間接推算大腦內部的神經電活動。腦磁測量不容易受到介質的影響，所以空間分辨率比EEG更高。但是因為敏感度高，容易受到環境干擾，所以需要嚴密的電磁場屏蔽室，并且設備昂貴笨重。 在實際應用當中，MEG主要用于活動時間測量。 MEG可以解決事件具有10毫秒或更高的時間精度，而功能性磁共振成像（fMRI）依賴于血流變化，時間分辨率最高只有幾百毫秒。 多種技術配合，取長補短 非侵入式的幾種手段都存在各自的不足，因此需要多種技術配合，取長補短。2010年日本國際電氣通信基礎技術研究所（ATR）和日本信息通信研究機構（NICT）開發出了通過非侵入式測量，連續推斷并再現用戶指尖動作二維坐標的腦機接口。具體為，將時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。雖然在性能和實際效果方面達到了非侵入式腦機接口領域的頂尖水平，但是這兩種設備都有昂貴笨重的缺點，因此為了實用化，也在開發使EEG和NIRS相結合也可利用此次的技術。 隨后2014年，日本國際電氣通信基礎技術研究所（ATR）等聯合開發出了輔助老年人及殘疾人日常生活的低成本腦機接口，演示了通過腦機接口執行開電視、開空調、開燈三種動作。根據實時腦活動判斷用戶意圖，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，只用于檢測用戶的不適感等情緒。與上面的技術方案相比效果嚴重縮水，最后的總體延遲時間為17秒左右，這樣的時間延遲，對于老年人和殘疾人還不如直接用語音識別控制。 |
