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现实还是科幻——解析脑机接口技术最新进展
作者:黄璜            发布时间:2019-12-06

  “脑机接口”的具体概念在Vidal•J•J等在1973年发表的论文《Towards Direct Brain-computer Communication》中首次提出。和早已广泛使用的脑电波探测仪等医疗器械相比,脑机接口似乎直到近年来才越来越多得出现在报刊媒体上。无论是“科学狂人”埃隆•马斯克投资Neuralink公司并于今年8月公布的“缝纫机”机器人技术引发热议,还是11月初浙江金华一小学头戴“监测头环”引发争议,都预示着脑机接口离我们的生活越来越近。

  一、 无创型脑机接口取得重要成果,但已接近技术的天花板

  无创型脑机接口已取得巨大的进步。无创型脑机接口通过导电帽或者将电极粘附在头皮上读取脑电信号,也称为“非植入式”脑机接口。现有无创型脑机接口系统主要分为3类范式:1、事件相关电位脑机接口。通过检测P300信号和SSVEP信号等ERP(事件相关电位)信号幅度判断意图;2、感觉运动节律的脑机接口。读取mu/beta节律信号,典型应用包括想象运动脑机接口;3、混合脑机接口。结合多种脑电信号综合分析。目前已应用到大脑状态监测、神经康复及认知增强等领域,已帮助脊髓侧索硬化症患者通过脑机接口系统进行字符输入,控制机械义肢运动。

  无创接口领域我国在国际具有优势。中国科学院半导体研究所提出了基于任务相关成分分析的目标识别算法,以提高稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑机接口的性能,利用一套40目标脑机接口字符输入系统,获得了高达325bit/min的通信速率,创世界纪录。中电云脑公司所研发的脑卒中康复设备正在进行临床实验,已帮助一位发病10年的患者恢复写字功能。中电云脑今年5月发布了“脑语者”芯片,适用范围覆盖了特种医学、康复医学、脑认知、神经反馈、信号处理等脑-机混合智能的重点应用领域,达到国际领先水平。

  无创型脑机接口已接近技术的天花板。颅骨对脑电信号衰减的固有缺点,导致头皮脑电信号分辨率低,目前只能获取和转译简单的动作和语言,已接近信号分析技术支持的上限。混合脑机接口技术将延续无创型的寿命,但是对信号收集精度的提高将十分有限。

  二、 有创型脑机接口将成为未来的主流,中美差距拉大

  有创型脑机接口将未来的主流技术。与无创脑机接口技术不同,有创脑机接口通过外科手术,将电极植入深层脑组织,从而获取高质量神经信号,能进行复杂的脑电获取和转译,其信号精度和信噪比是头皮读出的数百倍。随着无创脑机接口信号分辨和处理能力越来越乏力,有着巨大潜能的有创脑机接口将成为未来脑机接口的主流技术。目前有创脑机已在猴、大鼠等大量动物实验中完成技术验证,将进一步推进人体实验。

  有创脑机接口已取得巨大技术突破。1991年犹他电极应用于脑机接口,打开了有创脑机接口实验的大门,之后诞生的密歇根电极和犹他电极成为最经典的两种刚性电极。随着技术的发展,电极设计更贴合脑组织,电极密度和信道数大大提高,对人体损伤减小。目前犹他电极已做到电极之间仅间隔400微米,单一硅片上可集成96通道,密歇根电极更是达到1024通道。

  大量商业资本进入脑机领域,进一步加快美国脑机的研发,中美差距进一步拉大。刚性电极长期置入容易造成大脑损伤,形成愈伤组织,甚至使信号完全消失,更安全可靠的柔性电极呼之欲出。今年7月,Neuralink发布了植入式柔性电极技术。每片薄膜阵列有3072个电极触点,读出线的直径仅4至6微米,具有良好的生物相容性,信号读出速率是以往有创脑机接口的15倍。目前已完成大鼠实验,将于明年进行人体实验。中国有创脑机接口起步晚,规模小,发展滞后。目前国内尚无犹他电极的研制技术,动物实验也主要是重复国外实验,柔性电极仅仅神经所等科研单位有研究,取得一定进展,但是植入密度等技术指标远落后于美国。

  三、 脑机接口将推动多学科发展,但仍存在诸多挑战

  脑机接口推动多学科发展,并产生大量应用。研究不同思想和行为产生脑电信号的模式,进而反过来研究人脑的工作原理,能够闭环验证现有神经科学理论,推动医学、信息学、教育学等多学科的发展。医疗健康、教育、游戏将成为未来主要应用场景。医疗健康领域将从疾病治疗推广到情绪管理、记忆增强领域,甚至能实现对脑的写入。教育领域方面将从注意力监测扩大到教学设计和智能学习领域,改变甚至颠覆现有教育方式方法。AR/VR与脑控的结合将极大改善游戏体验,成为新的发展热点方向。

  脑机接口面临诸多技术挑战。在范式选择、硬件制备和脑电编解码方面存在许多难点,应用仍停留在义肢控制和文字输入。挑战包括植入技术、编解码技术、移动化/小型化技术和脑机融合技术四个方面。植入技术主要面临减少手术创伤、提高电极可靠稳定性和生物融合性能的挑战;编解码技术主要挑战是解读更高维度更抽象的思维信息;小型化的难题主要在电极选择、信号获取、动态校准等方面;脑机融合则在人体适应和信号读写反馈速率极高的条件下,将实现生物智能和机器智能的融合。

  脑机接口技术面临巨大的伦理考验。目前,脑机接口的技术限界还不明确,未来应用扩张的同时,存在异化的风险,存在技术安全、知情同意、隐私泄露、身份认定、意志自由、公平公正等诸多伦理问题,“控脑”、“读脑”、“记忆写入”等概念可能引起社会的恐慌和排斥,生化人的人类身份界定也将从科幻走入现实,甚至最终真正诞生类似《黑客帝国》中“缸中之脑”的场景。月初,浙江金华一小学头戴“监测头环”引发争议,而使用的“赋思头环”正是来自无创脑机接口公司BrainCo。仅仅是读出脑电信号判断注意力集中程度也可以被解读为监测思维,可见脑机接口技术的应用将面临巨大的伦理阻力。

  四、 总结与展望

  脑机接口将率先普及,类脑计算协同发展。同属于“ 中国脑计划” 重要组成部分,脑机接口将在十年内得到普及。类脑计算方面在脉冲神经网络和大脑结构图谱已取得重要成果,但距类脑智能仍有巨大差距。

  中国的发展需要国家加大投入力度,明确技术发展路线。中国脑机接口发展不能厚此薄彼,需要在发展无创脑机接口的同时进一步发展有创脑机接口,甚至进一步以有创脑机接口为主。可以直接跳过刚性电极的研制,直接开展柔性电极的研发。

  需要多方面改善科研、舆论和社会环境,推动脑机接口发展。要加快产业整合,形成以院士等为领导的科研联盟,定期进行学术交流活动,共享学术资源。改善人才引进体制,对于交叉学科要改变唯论文了的评价指标,需要从多方面综合考量,甚至对急缺的特殊领域的人才开放绿色通道。需要加强舆论引导,对关于脑机接口的不实传闻予以辟谣,加强科普,加快民众对新技术的接受度。


  作者简介:黄璜,博士,中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所数字技术与应用研究部工程师,毕业于北京大学。目前主要从事集成电路、先进计算、传感器等产业研究。

  邮箱:huanghuang@caict.ac.cn

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