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脑机接口:从科幻走向现实

冯杰

2023年04月06日 02:09

高小榕
光明日报( 2023年04月06日 16版)

在科幻电影中,经常有这样的场景——残疾人可以用机械臂自如地弹唱,失语者可以重新“开口说话”,失聪者能再次听到声音,人类依靠“意念”指挥着庞大的机械……其实,这些神奇的场景并不仅仅是科幻想象,现实中,不断发展的“脑机接口技术”正是要在将来让这些变成现实。

人脑思维的扩展

脑机接口,顾名思义,就是大脑和计算机之间的接口,指大脑与计算机的直接连接。一方面大脑要发出指令实现对外部设备的控制;另一方面外部设备也要不断地给大脑发送各种各样的反馈信息,让大脑及时调整控制策略,维持整个系统的稳定性。一个典型的脑机接口系统包括三个部分:信号采集、信号分析和设备控制。脑机接口系统可以根据脑信号采集的方式,分为侵入式和非侵入式脑机接口;也可以根据脑机接口范式/感觉刺激/采用的信号进行分类,可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。

脑机接口的发展源于人类扩展大脑智能的渴望。在可预见的将来,人类智能将与机器智能协同工作。机器的存储和运算能力,配合人脑的思维与创新能力,将以脑机协同的形式开创一个新的未来。

1924年,德国医生汉斯·贝格尔首次发现并无创记录脑电信号,开启了人们对大脑与脑机接口的探索。时至今日,近百年的时间里,脑机接口取得了飞速的发展,已被应用于医疗健康、状态检测、智能生活、国防安全等众多场景,被美国、欧盟、日本、韩国等众多发达经济体视作战略级科技。据麦肯锡咨询公司预测,未来10到20年,全球脑机接口产业将产生最多2000亿美元的经济价值。

美国早在1989年就率先提出全国性的脑科学计划,并把20世纪最后10年命名为“脑的10年”,他们还在2013年提出被认为可与人类基因组计划相媲美的“脑计划”,旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图、推动神经科学研究、针对目前无法治愈的大脑疾病开发新疗法。

1991年,欧洲出台“欧洲脑10年”计划。2013年1月,欧盟委员会宣布人脑工程入选“未来新兴旗舰技术项目”,并设立专项研发计划“人类大脑计划”,可在10年内(2013年至2023年)获得10亿欧元经费。日本脑/思维计划(通过用于疾病研究的集成神经技术绘制脑图),于2014年6月启动,计划开发脑图绘制技术,并绘制人类脑图谱。该项目在10年内受到共400亿日元的资助。

我国也高度重视脑机接口技术发展,已将“脑科学和类脑研究”列入国家重大科技创新和工程项目。中国科学院也于2022年初成立脑科学和智能技术卓越创新中心。2023年2月,中国脑机接口产业联盟成立,将积极发挥政产学研用桥梁纽带作用,为我国脑机接口、脑机交互、脑机智能领域规划布局提供支撑建议,加强跨领域与行业交流,推动技术创新与应用探索,开展标准和测试研究,培育和构建产业生态,以便更好地支撑我国经济、科技和社会发展。

脑机接口走向生活

早在20多年前,清华大学就对于无创脑机接口进行了研究。当时,航天员上天之前,都需要进行耐力方面的特殊训练,目的是使受训者在接受转动、旋转、失重和超重等刺激时,不会发生眩晕和错觉症状。在太空环境适应训练中,航天员训练最多的是离心机,因为离心机高强度的刺激环境,在训练中人常常会来不及喊停便陷入眩晕。来自清华大学的团队负责在离心机实验环境中检测受训人的大脑意识状态,通过脑机接口系统分辨出受训人是否清醒。这种基于脑电状态来评价人的精神状态,并基于用户需求给予特定反馈的技术,形成了多类应用——开发更为轻便的可穿戴设备,应用在冥想、放松、睡眠等健康场景以及专注力、智能玩具、艺术装置等教育或消费类场景中。

2006年,美国布朗大学研究团队完成首个大脑运动皮层脑机接口设备植入手术,四肢瘫痪的病人能够通过运动意图来完成机械臂控制、电脑光标控制等任务。2012年,脑机接口设备已能够胜任更复杂和广泛的操作,国外有团队为一位瘫痪女士植入了96个电极的脑机接口设备,让这位女士用大脑操控机械臂实现自己喝水、吃饭、打字、与人交流等。2014年巴西足球世界杯开幕式,高位截瘫青年朱利亚诺·皮诺特在脑机接口与人工外骨骼技术的帮助下开出一球。近十几年来,脑机接口不断接近了人们过去在科幻作品中看到的未来形象。

国内的脑机接口应用医疗健康研究也如雨后春笋般兴起。值得关注的是,2018年,清华大学脑机接口团队为一位渐冻症患者设计了一套中文输入的视觉脑机接口系统,帮助这位渐冻症患者完成脑控打字的任务。迄今为止,这套全国产化高舒适度高速人机交互新模式系统,仍牢牢保持高速率脑机接口技术世界第一的纪录。

这套系统基于稳态视觉诱发电位技术开发,其原理是通过一定频率闪烁的目标对实验者的眼睛进行刺激,再根据大脑视皮层响应的特定脑电信号来判断实验者看到的是哪个闪烁频率的信号,进而通过脑电算法解码成相应的操作指令。在脑机接口的研究范式中,稳态视觉诱发电位技术具有短交互、高准确度、安全性高、应用面广等优势。如今,这一技术已经在车载、医疗、智能装备、元宇宙等与国民经济息息相关的重要行业走向应用。

残障人士的医疗辅助与康复也是脑机接口的重要应用方向,在智能仿生手领域,国内专家已开发出脑机接口手功能康复训练系统,通过与人工智能算法高度整合,将脑机接口与外骨骼机器人有机结合,通过采集、处理人体脑电神经信号实现动作控制。使用者可通过“意念”控制外骨骼机械手,带动瘫痪手部进行训练,也可做出各种复杂动作,帮助使用者实现肢体康复训练。这项应用对运动技能衰退的中老年人、脑血栓引起的运动障碍、中枢及外围神经病变患者、断肢移植、皮肤移植造成的感觉功能障碍等人员具有很好的前景,可帮助患者重获对躯体的掌控,自信面对生活。

在数字世界与现实世界无缝切换

基于稳态视觉诱发电位技术的元宇宙级交互体验系统,不同于传统的手柄、手势、语音、眼动等交互手段,脑机接口可以不依赖于肌肉和外周神经直接与外部设备与环境建立交互,且更具沉浸感,可解放双手,通过脑电信号实现“所见即所得”。元宇宙的产业快速发展,物理世界的更多行为、动作可以通过编码接入数字世界,不仅会重塑交互,更会深刻影响人们感知、回应、掌控事物的方式,加强人在虚拟世界的真实感官体验,在数字世界和现实世界持续、无缝地切换。

作为一项应用前景广泛的高新技术,脑机接口的技术发展除了需要加强政策及标准制定、研发投入、产业应用、多方协同等之外,还需要依托全面科普为这一前沿科技注入动能。科学技术是第一生产力,青少年是人才的储备力量,更是社会进步的希望所在,青少年对科学技术的掌握程度往往决定一个地区的创新力、一个社会的发展力和一个国家的竞争力。因此,加强青少年脑机接口科普教育工作,对培养一代懂科学、爱科学、用科学的优秀青少年群体、建设脑机接口后备人才队伍尤为重要。

在世界机器人大赛中,已增设了一项脑机接口的专业赛事——BCI脑控机器人大赛,就是一项推进技术创新突破,推动脑机接口技术与各领域产业交流合作,满足人们对医疗、养老、康复等多样化的民生需求,实现该领域与各行业的跨越融合发展的赛事。该赛事还推动前沿科技向青少年普及。例如,“脑力小巨人”比赛,将脑电生物反馈做到了比赛项目中,让孩子们体验前沿的脑机接口技术,学习多科学融合的技术知识,提升综合素养。

在漫长的历史进程中,人类已经一次次成功地获得了这些改变世界的技术。可以乐观地看到,未来,人类能够成功将脑机接口技术融合进生活、赋能产业,助力国民经济发展,提升大众幸福感。

(作者系清华大学医学院教授)


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2023年04月06日 10:10
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