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大脑是个黑匣子，神秘却又分分秒秒地记录着我们生活。如今，脑机接口技术给了我们从黑箱中直接获取信息的方法。

毫无疑问，脑机接口技术将是未来推动社会发展的一项极为重要的关键技术。但是脑机接口技术并不现在才有的，在此之前已经发展了数十年的时间。



在介绍脑机接口之前，我们非常有必要来了解一下人的大脑。

人类头部最外层是头发，头发下面是头皮，然后你以为接下来就到颅骨了——但其实中间还有大概 19 层东西才到颅骨。

在颅骨下面，大脑被三层薄膜包裹着，它们分别是硬脑膜、蛛网膜、软脑膜。

作为整个大脑最重要的部位，大脑的皮质层几乎无所不能——它负责处理听觉、视觉及感觉信息，同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面。

整个大脑皮质层每个部位所做的东西都很多，而且彼此之间存在大量重叠的功能，所以不同类型的脑机接口需要获取不同区域的大脑皮质层发出的信号。


| 脑机接口

“脑机接口”的定义=“脑”+机“+”接口”。即，在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间创建的用于信息交换的连接通路。

脑机接口作为当前神经工程领域中最活跃的研究方向之一，在生物医学、神经康复和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力。

就像话题感十足的 Neuralink 公司研发的大脑芯片，听起来科幻感十足的脑机接口概念，已经离大家的生活越来越近了，甚至已经在一些领域，实现了划时代的应用价值，比如让植物人“开口说话”、让渐冻人“自主购物”、让瘫患者“站起来”等等。


| 脑机接口技术的实现

脑机接口技术是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号经过放大、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。

一个典型的脑机接口系统主要包含4个组成部分：信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节。其中，信号处理部分包括预处理、特征提取、特征分类3个环节。

◼ 信息采集

从目前的研究水平来看，我们在评估某种信息采集手段优劣时需要考虑三个方面的标准：

规模：可以记录多少神经元。

分辨率：这个工具接收到的信息的细致程度。这里所说的分辨度可以分成两种：空间上的分辨率（能否细致记录单个神经元的触发情况）和时间上的分辨率（能否确定你所记录的活动的确切发生时间）。

侵入性：是否需要手术？如果需要，手术的影响范围有多大？

目前脑机接口的分类，则通常是根据“侵入性”被分为：非侵入式（脑外）、侵入式和半侵入式。


◼ 信息分析

收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。

分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图（EGG），皮层脑电图（ECoG）等模型可以协助分析。

信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、P300信号分析、小波分析+奇异值分解等。


◼ 再编码

将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。

但编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上，比如小白鼠身上，控制它的行为方式。


◼ 反馈

获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉等等。

脑机接口要实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。



| 脑机接口研究方法

脑电波EEG反应了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，脑的复杂活动反应在头皮上的电位活动就是EEG轨迹 。

BCI脑机接口技术的首要任务就是从EEG中识别出人的主观操作意识，并将之表达为对外部设备的直接控制，下面介绍几种脑机接口研究中较常使用的脑神经信号。

◼ P300 （诱发电位）

P300是一种事件相关电位ERP，在时间相关刺激300～400ms后出现的正电位，主要位于中央皮层区域，其峰值大约出现在时间发生后300ms，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著。基于P300的BCI的优点是P300属于内部相应,使用者无需通过训练就可产生P300。


◼ 视觉诱发电位（诱发电位）

视觉诱发电位是指从视觉通路的不同水平区域记录的不同生物电反应,其诱发刺激可以是荧光、闪光刺激。视觉诱发电位又可以分成短时视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位两种。


◼ 时间相关同步或时间相关去同步电位（自发脑电）

单边的肢体运动或想象运动，大脑同侧产生事件相关同步电位 ERS ，大脑对侧产生时间相关去同步电位 ERD。ERS、ERD是与运动相关的,主要位于感觉运动皮层。


◼ 皮层慢电位（自发脑电）

皮层慢电位也称慢波电位 ，是皮层电位的变化，是脑电信号中从 300 ms持续到几秒钟的大的负电位或正电位，能反应皮层Ⅰ和Ⅱ层的兴奋性，个人可以通过生物反馈训练产生这种电位。


◼ 自发脑电信号（自发脑电）

在不同的知觉意识下，人们脑电中的不同节律呈现出各异的活动状态。这些节律是受不同动作或思想的影响。按照所在频段的不同分类，一般采用希腊字母α、β、γ、δ来表示不同的自发EEG信号节律。比如α节律在8～13 Hz频段,而β节律则在13～22 Hz频段。

总的来说，虽然脑机接口技术发展迅猛，但这种技术仍处在早期阶段，目前的脑机接口技术还是只能实现一些并不复杂的对于脑电信号的读取和转换，从而实现对于计算机 / 机器人的简单控制。

关于收集信息的精度、信息分析的准度、编码反馈的准确性都有待发展。要想实现更为复杂的精细化的交互和功能，实现所想即所得，甚至实现将思维与计算机的完美对接，还有很漫长的路要走。

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