腦機接口:人或動物的腦與設備建立信息的接口-中文百科頻道

基本介紹

在腦機接口定義中，“腦”一詞意指有機生命形式的腦或神經系統，而并非僅僅是“mind”。“機”意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到矽芯片。腦機接口把互聯網與人直接連在一起，因此當前很多人也開始把腦機接口納入了物聯網的邊界。

全球範圍對此領域的基礎研究已經有很多年了。各國尖端研究領域都非常重視它的研究價值。在早在2001年的自然雜志上發表的論文就對用思想直接對機器進行控制有了重要的闡述。在MIT的“21世紀能改變世界的10大技術”排行榜中，腦機接口技術排名第一位。

20世紀90年代中期以來，從實驗中獲得的此類知識呈顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎上，應用于人體的早期植入設備被設計及制造出來，用于恢複損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機接口相适應，可以象自然肢體那樣控制植入的假肢。在當前所取得的技術與知識的進展之下，腦機接口研究的先驅者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口，而不僅僅止于恢複人體的功能。這種技術在以前還隻存在于科幻小說之中。

腦機接口技術的研究和關鍵技術問題的解決不僅需要其他學科領域的發展，而且能夠反過來促進諸如認知神經科學、心理學、模式識别、信号處理和電子技術的交叉與發展。我們有理由相信腦機接口技術在不久的将來會有着深刻的影響并得到廣泛的應用。

原理技術

信号采集技術

21世紀初，不管是腦電（EEG），功能磁共振成像（fMRI），還是腦磁（MEG），及近紅外譜（NIRS）。以及對人腦有一定侵入性的腦皮層電圖（ECOG），現在都還不能從時間和空間兩個維度上準确刻畫人腦的全部活動狀态。但可以肯定的是，腦機接口中所用到的這些記錄人腦活動的方式雖然精度不高，但已經證明人的主觀意識是有物質基礎的。

腦信号的轉變

腦機接口中，EEG等腦信号是載體，它從人腦傳遞到計算機，計算機從中識别出人的主觀意圖。這個過程中通過EEG載體，把人的主觀意圖從人腦直接傳遞給計算機，計算機将這個識别出來的主觀意圖轉化為控制信号。

受控體

21世紀初的腦機接口技術中有利用人腦來控制外部機設備或電腦鼠标的運動，也有輸入字符的“虛拟打字機”，還有自動圖片分類等應用。國内外也有研究将控制信号從外界傳送給小老鼠，鳥等動物，這是這類應用中控制信号的流向不同。但這些受控體都沒有接受情感類的信号，也不存在表情。而電影中的阿凡達，是個有血有肉的活體，有正常人的情感和喜怒哀樂。

現階段（21世紀初）還存在許多困難：雖然使用先進的信号采集設備已能夠檢測非常微弱的腦電信号，但是腦電信号中不可避免的摻雜了各種噪聲，使得數據的信噪比較低。近年來腦電數據處理的相關研究取得了令人矚目的成績，同時，信息科學與技術的不斷進步也使得實時快速處理大量數據成為可能。借助于這些成果，腦機接口的技術得到了快速的發展，研究群體和組織也迅速壯大。

神經修複

神經修複是神經科學中和神經的修複相關的領域，即使用人工裝置（假體）替換掉原有功能已削弱的部分神經或感覺器官。

神經假體最廣泛的應用是人工耳蝸，截止到2006年世界上已有大約十萬人植入腦機接口和神經修複的區别主要從字面上就可見其端倪：“神經修複”通常指臨床上使用的裝置，而許多現有的腦機接口仍然是實驗性質的。實踐上講神經假體可以和神經系統的任意部分相連接，如外周神經系統；而“腦機接口”通常指一類範圍更窄的直接與腦相連接的系統。由于目标和實現手段的相似性，“神經修複”和“腦機接口”兩術語經常可以通用。神經修複和腦機接口嘗試達到一個共同的目标，如恢複視覺、聽覺、運動能力，甚至是認知的能力。兩者都使用類似的實驗方法和外科手術技術。

動物研究

一些實驗室已實現從猴和大鼠的大腦皮層上記錄信号以便操作腦機接口來實現運動控制。實驗讓猴隻是通過回想給定的任務（而沒有任何動作發生）來操縱屏幕上的計算機光标并且控制機械臂完成簡單的任務。另外在貓上進行的研究對視覺信号進行了解碼。

早期工作

1、面向運動功能的腦機接口。在面向運動功能的腦機接口方面，發展算法重建運動皮層神經元對運動的控制，該研究可以回溯到20世紀70年代。Schmidt, Fetz和Baker領導的小組在20世紀70年代證實了猴可以在閉環的操作性條件作用（closed-loop operant conditioning）後快速學會自由地控制初級運動皮層中單個神經元的放電頻率。

20世紀80年代，約翰斯·霍普金斯大學的Apostolos Georgopuolos找到了猕猴的上肢運動的方向和運動皮層中單個神經元放電模式的關系。他同時也發現，一組分散的神經元也能夠編碼肢體運動。20世紀90年代中期以來，面向運動的腦機接口經曆了迅速的發展。若幹研究小組已經能夠使用神經集群記錄技術實時捕捉運動皮層中的複雜神經信号，并用來控制外部設備。其中主要包括了Richard Andersen、John Donoghue、Phillip Kennedy、Miguel Nicolelis和Andrew Schwartz等人的研究小組。

2、面向感覺功能的腦機接口。人類已經能夠修複或者正在嘗試修複的感覺功能包括聽覺、視覺和前庭感覺。人工耳蝸是迄今位置最成功、臨床應用最普及的腦機接口。視覺修複技術尚在研發之中。這方面的研究和應用落後于聽覺同能的主要原因是視覺傳遞信息量的巨大和外周感覺器官（視網膜）和中樞視覺系統在功能上的相對複雜性。美國約翰·霍普金斯大學的Della Santina及其同事開發出一種可以修複三維前庭感覺的前庭植入物。

大事記

Phillip Kennedy及其同事用錐形營養性（neurotrophic-cone）電極植入術在猴上建造了第一個皮層内腦機接口。1999年，哈佛大學的Garrett Stanley試圖解碼貓的丘腦外側膝狀體内的神經元放電信息來重建視覺圖像。他們記錄了177個神經元的脈沖列，使用濾波的方法重建了向貓播放的八段視頻，從重建的結果中可以看到可辨認的物體和場景。

杜克大學的Miguel Nicolelis是支持用覆蓋廣大皮層區域的電極來提取神經信号、驅動腦機接口的代表。他認為，這種方法的優點是能夠降低單個電極或少量電極采集到的神經信号的不穩定性和随機性。Nicolelis在1990年代完成在大鼠的初步研究後，在夜猴内實現了能夠提取皮層運動神經元的信号來控制機器人手臂的實驗。到2000年為止，Nicolelis的研究組成功實現了一個能夠在夜猴操縱一個遊戲杆來獲取食物時重現其手臂運動的腦機接口。這個腦機接口可以實時工作。它也可以通過因特網遠程操控機械手臂。不過由于猴子本身不接受來自機械手臂的感覺反饋，這類腦機接口是開環的。Nicolelis小組後來的工作使用了恒河猴。其它設計腦機接口算法和系統來解碼神經元信号的實驗室包括布朗大學的John Donoghue、匹茲堡大學的Andrew Schwartz、加州理工的Richard Anderson。這些研究者的腦機接在某一時刻使用的神經元數為15-30，比Nicolelis的50-200個顯著要少。

Donoghue小組的主要工作是實現恒河猴對計算機屏幕上的光标的運動控制來追蹤視覺目标。其中猴子不需要運動體。 Schwartz小組的主要工作是虛拟現實的三維空間中的視覺目标追蹤，以及腦際接口對機械臂的控制。這個小組宣稱，他們的猴子可以通過腦機接口控制的機械臂來喂自己吃西葫蘆。Anderson的小組正在研究從後頂葉的神經元提取前運動信号的腦機接口。此類信号包括實驗動物在期待獎勵時所産生信号。除了以上所提及的這些用于計算肢體的運動參數的腦機接口以外，還有用于計算肌肉的電信号（肌電圖）的腦機接口。此類腦機接口的一個應用前景是通過刺激癱瘓病人的肌肉來重建其自主運動的功能。

2008年，美國匹茲堡大學的科學家實現了讓猴子用“意念”控制機械手臂的運動。

2011年10月，美國杜克大學醫學中心的科學家在《自然》雜志發表文章，宣布他們不僅能讓猴子用意念移動虛拟手掌，還能感受虛拟手掌觸摸物體的觸覺信号。2012年2月21日，中國浙江大學求是高等研究院腦機接口研究團隊宣布，他們運用計算機信息技術成功提取并破譯了猴子大腦關于抓、勾、握、捏四種手勢的神經信号，使猴子的“意念”能直接控制外部機械。

人類研究

侵入式

侵入式腦機接口主要用于重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信号的質量比較高。但其缺點是容易引發免疫反應和愈傷組織（疤），進而導緻信号質量的衰退甚至消失。

視覺腦機接口方面的一位先驅是William Dobelle。他的皮層視覺腦機接口主要用于後天失明的病人。1978年，Dobelle在一位男性盲人Jerry的視覺皮層植入了68個電極的陣列，并成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機接口系統包括一個采集視頻的攝像機，信号處理裝置和受驅動的皮層刺激電極。植入後，病人可以在有限的視野内看到灰度調制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。該視覺假體系統是便攜式的，且病人可以在不受醫師和技師幫助的條件下獨立使用。 2002年，Jens Naumann成為了接受Dobelle的第二代皮層視覺假體植入的16位病人中的第一位。

第二代皮層視覺假體的特點是能将光幻視更好地映射到視野，創建更穩定均一的視覺。其光幻視點陣覆蓋的視野更大。接受植入後不久，Jens就可以自己在研究中心附近慢速駕車漫遊。針對“運動神經假體”的腦際接口方面，Emory大學的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在人植入了可獲取足夠高質量的神經信号來模拟運動的侵入性腦際接口。他們的病人Johnny Ray患有腦幹中風導緻的鎖閉綜合症。Ray在1998年接受了植入，并且存活了足夠長的時間來學會用該腦機接口來控制電腦光标。 2005年，Cyberkinetics公司獲得美國FDA批準，在九位病人進行了第一期的運動皮層腦機接口臨床試驗。

四肢癱瘓的Matt Nagle成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光标控制等任務。其植入物位于前中回的運動皮層對應手臂和手部的區域。該植入稱為BrainGate，是包含96個電極的陣列。

部分侵入式

部分侵入式腦機接口一般植入到顱腔内，但是位于灰質外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優于非侵入式。其另一優點是引發免疫反應和愈傷組織的幾率較小。皮層腦電圖（ECoG）的技術基礎和腦電圖的相似，但是其電極直接植入到大腦皮層上，硬腦膜下的區域。

基于“光反應成像”的腦機接口尚處在理論階段。其概念是在顱腔内植入可測量單神經元興奮狀态的微型傳感器，以及受其驅動的微型激光源。可用該激光源的波長或時間模式的變化來編碼神經元的狀态，并将信号發送到顱腔外。該概念的優點是可在感染、免疫反應和愈傷反應的幾率較小的條件下長時間監視單個神經元的興奮狀态。

非侵入式

和侵入式腦機接口一樣，研究者也使用非侵入式的神經成像術作為腦機之間的接口在人身上進行了實驗。用這種方法記錄到的信号被用來加強肌肉植入物的功能并使參加實驗的志願者恢複部分運動能力。雖然這種非侵入式的裝置方便佩戴于人體，但是由于顱骨對信号的衰減作用和對神經元發出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信号的分辨率并不高。這種信号波仍可被檢測到，但很難确定發出信号的腦區或者相關的單個神經元的放電。

腦電圖（EEG）作為有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，這主要是因為該技術良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。但該技術的一個問題是它對噪聲的敏感，另一個使用EEG作為腦機接口的現實障礙是使用者在工作之前要進行大量的訓練。這方面研究的一個典型例子是德國圖賓根大學的Niels Birbaurmer于1990年代進行的項目。該項目利用癱瘓病人的腦電圖信号使其能夠控制電腦光标。

與上述這種需要訓練的EEG腦機接口不同，一種基于腦電P300信号的腦機接口不需要訓練，因為P300信号是人看到熟識的物體是非自主地産生的。美國羅切斯特大學的Jessica Bayliss的2000年的一項研究顯示，受試者可以通過P300信号來控制虛拟現實場景中的一些物體，例如開關燈或者操縱虛拟轎車等。 1999年，美國凱斯西留地大學由Hunter Peckham領導的研究組用64導腦電圖恢複了四肢癱瘓病人Jim Jatich的一定的手部運動功能。該技術分析腦電信号中的β波，來分類病人所想的向上和向下兩個概念，進而控制一個外部開關。

除此以外，該技術還可以使病人控制電腦光标以及驅動其手部的神經控制器，來一定程度上回複運動功能。應用人工神經網絡，計算機可以分擔病人的學習負擔。Fraunhofer學會2004年用這一技術顯著降低了腦機接口訓練學習所需的時間。Eduardo Miranda的一系列試驗旨在提取和音樂相關的腦電信号，使得殘疾病人可以通過思考音樂來和外部交流，這種概念稱為“腦聲機”（encephalophone）。腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實現非侵入式腦機接口。例如在一項研究中，病人利用生物反饋技術可以用改變fMRI所檢測到的腦部血流信号來控制乒乓球運動。

細胞培養

細胞培養物的腦際接口是動物（或人）體外的培養皿中的神經組織和人造設備之間的通訊機制。這方面研究的焦點是建造具有問題解決能力的神經元網絡，進而促成生物式計算機。研究者有時在半導體芯片上培養神經組織，并且從這些神經細胞記錄信号或對其進行刺激。這類研究常稱為“神經電子學”（Neuroelectronics）或“神經芯片”（Neurochips）。 1997年，加州理工Jerome Pine和Michael Maher的團隊最先宣稱研制成功神經芯片。

2003年，美國南加州大學的Theodore Berger小組開始研制能夠模拟海馬功能的神經芯片。該小組的目标是将這種神經芯片植入大鼠腦内，使其稱為第一種高級腦功能假體。他們之所以選擇海馬作為研究對象為其高度有序的組織以及豐富的研究文獻。海馬體的功能與記憶生成和長期記憶有關。佛羅裡達大學的Thomas DeMarse用提取自大鼠腦的包含25000個神經元的培養物來操控一個F-22戰鬥機模拟程序。

軍事應用

從2004年開始，美國國防部DARPA就已投入巨資，在杜克大學的神經工程中心等全美6個實驗室中展開了“思維控制機器人”的相關研究。盡管距離這一“終極目标”的實現尚早，但科學家已經取得了一些突破。2008年，位于北卡羅來納州的科學家已能讓一隻猕猴在跑步機上直立行走，并從植入猕猴腦部的電極獲取神經信号，通過互聯網将這些信号連同視頻一起發給日本的實驗室，最終美國猕猴成功地“用意念控制”日本實驗室裡的機器人做出了相同的動作。

英國《衛報》2010年1月31日也報道稱，美國軍方早就對《阿凡達》影片中出現的BCI技術展開了研究，并打算在未來打造出電影中的巨型“機械戰士”，讓士兵用意念遠程操縱他們的“阿凡達”替身在戰場上作戰。

倫理問題

關于腦機接口的倫理學争論尚不活躍，動物保護組織也對這方面的研究關注也不多。這主要是因為腦際接口研究的目标是克服多種殘疾，也因為腦機接口通常給予病人控制外部世界的能力，而不是被動接受外部世界的控制。（當然視覺假體、人工耳蝸等感覺修複技術是例外。）

有人預見，未來當腦際接口技術發展到一定程度後，将不但能修複殘疾人的受損功能，也能增強正常人的功能。例如深部腦刺激（DBS）技術可以用來治療抑郁症和帕金森氏病，将來也可能可以用來改變正常人的一些腦功能和個性。又例如，上文提及的海馬體神經芯片将來可能可以用來增強正常人的記憶。這可能将帶來一系列關于“何為人類”、“心靈控制”的問題争論。

研究機構

研究院

浙江大學求是高等研究院(QAAS）。

2012年，浙江大學成功提取并破譯了猴子大腦關于抓、勾、握、捏四種手勢的神經信号，使得一隻猴子通過“意念”控制一隻機械手進行不同的動作。

2014年8月25日，浙江大學醫醫學院附屬二院神經外科與浙江大學求是高等研究院合作的“腦機接口臨床轉化應用課題組”宣布，在前期猴子意念控制機械手等研究基礎上，中國首次用病人顱内植入電極意念控制機械手，并成功完成高難度的肢體運動“石頭、剪刀、布”這一猜拳動作。這一研究，使得腦機接口技術的臨床應用向前邁進了一大步，已基本達到世界最高層次。這項研究為中風、脊髓及肢體神經損傷、肌萎縮側索硬化(漸凍人)以及其他神經肌肉退化病人帶來了新的希望，它可以為肢體運動功能障礙患者重建運動功能，從而改善病人的生活質量。

此次臨床試驗由求是高等研究院教授鄭筱祥等主持，參與臨床試驗的小劉患有複雜性難治性癫痫，需要行顱内埋藏電極來進一步分析皮層腦電。通過開顱電極埋藏手術，小劉大腦表面的運動感覺區被植入了一塊長4厘米、寬8厘米的電極。電極可持續監測其腦電活動。通過小劉十多次“石頭、剪刀、布”的動作，科研人員建立相關模型，“解密”的腦電信号再“指揮”機械手，控制其手指活動，目前吻合的準确度達到80%左右。此外，通過對小劉的腦波進行判斷，機械手還能與其玩“石頭，剪刀，布”的遊戲。

公司介紹

John Donoghue及其同事創立了Cybernetics公司，宗旨是推動實用的人類腦機接口技術的發展。該公司以Cybernetics神經技術公司為名在美國股市上市。BrainGate是該公司生産的電極陣列，該産品基于美國猶他大學的Richard Normann研發的“猶他”電極陣列。

Philip Kennedy創立了蛋白質包裹的微電極陣列，旨在促進電極和神經元之間的耦合。該公司除了生産侵入式腦際接口産品，還銷售一種可回複言語功能的植入設備。2004年為止，William Dobelle創建的公司已經在16位失明病人内植入了初級視皮層視覺假體。該公司目前仍在繼續研發視覺植入物，但這類産品至今沒有獲得FDA的批準，因而不能在美國境内使用于人類。