深度解析脑机接口技术

一、前言

通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界；只需一个意念我们就能改变“现实”；学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，也不需要在花费大量的时间，只需直接将知识传输到大脑当中即可。这是1999年上映的经典科幻片《黑客帝国》当中，为我们描绘的画面。这并非是天马行空的幻想，而是基于早已有之的“脑机接口”技术的的合理设想。

7月17日，Space X及特斯拉创始人埃隆·马斯克召开发布会，宣布成立两年的脑机接口（BCI）公司Neuralink的脑机接口技术获重大突破，他们已经找到了高效实现脑机接口的方法。这实际上是一套脑机接口系统：利用一台神经手术机器人向人脑中植入数十根直径只有4-6微米的“线”以及专有技术芯片和信息条，然后可以直接通过USB－C接口读取大脑信号。与以前的技术相比，新技术对大脑的损伤更小，传输的数据也更多。

Neuralink的最新技术成果的公布，也彻底引爆了外界对于“脑机接口”技术的关注。

而除了Neuralink的“侵入式”脑机接口技术之外，“非侵入式”脑机接口技术也迎来了新的突破。7月30日，Facebook一直资助的加州大学旧金山分校（UCSF）的脑机接口技术研究团队，首次证明可以从大脑活动中提取人类说出某个词汇的深层含义，并将提取内容迅速转换成文本。

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。正如Neralink总裁Max Hodak在当天发布会上所说，“Neuralink并不是凭空产生，在这以前的学术研究已经有了很长的历史，从很大意义上来说，我们是站在了巨人的肩膀上。”

** 二、关于人的大脑**

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。

在你的颅骨和大脑之间，又有这样一堆的东西（如下图），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，不过我们可以简单概括为如下这张图：

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。

三、什么是脑机接口技术？

脑机接口（Brain-Computer Interface， BCI）：它是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术。

在该定义中，“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统，而并非仅仅是“mind”（抽象的心智）。“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅。“接口” = “用于信息交换的中介物”。

“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，近10年来，脑机接口技术得到了长足的进步和飞速的发展，应用领域也在逐渐扩大。

四、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。

1、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？

而脑机接口的分类，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。

非侵入式： 是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录何解读。这种技术虽然避免了昂贵和危险的手术，但是由于颅骨对于大脑信号的衰减作用，以及对于神经元发出的电磁波的分散和模糊效应，使得记录到的信号强度和分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。

侵入式： 是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。另外，由于异物侵入，可能会引发免疫反应和愈伤组织（疤痕组织），导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。

半侵入式： 即将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，但是却优于非侵入式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。

典型的非侵入式系统有脑电图（EGG），脑电图是有潜力的非侵入式脑机接口的主要信息分析技术之一，这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。

但是，脑电图技术的一个问题是它对噪声的敏感；另一个使用EEG作为脑机接口的现实障碍是用户在工作之前要进行大量的训练。

2、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，如工频干扰、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。

3、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。

4、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。

BrainCo团队表示，其开发的智能假肢处于世界领先水平，可以完成多种复杂的日常操作，其中包括弹钢琴。该产品上市后定价预计在两万人民币以内，是目前主流智能假肢价格的二十分之一。

（5） 重获缺失的感知能力：除了通过思维控制一些设备之外，未来甚至有望帮助部分丧失的感知能力的人群再次获得感知能力，比如视觉、听觉和触觉等；此外，还可以将非人类感知能力转变为人类感知能力，这其实是非常逆天的，比如对于超声波的感知能力（就像从蝙蝠身上获取这个能力一样），再比如感知磁场等，就像拥有了超能力！

“强化”方向少的原因：第一是因为实现难度高；第二是因为市场还未被充分教育，思维范式在短期内难以改变，付费意愿因技术能力不足而未达到临界值，但军用领域实际上已经有了不少的应用了，军方也投入了大量资金。

最后，还值得补充的是“保健方向”，也就是冥想减压，有创业公司推出脑波检测头环，帮助用户通过实时音频反馈来提升冥想效果。其实，在北美，冥想的市场是非常大的，这是一个绝对可以挖掘的细分市场。

**2、娱乐 **

在娱乐方面，BCI技术的前景也是非常的广阔，比如可以与虚拟现实技术结合，无需额外的外设操控设备，可以直接通过思维来控制游戏种的角色，获得更加沉浸式的游戏体验。目前，在这块做得比较超前的公司是MindMaze，其融资总额已超1亿美元。

3、教育

这个方向其实和医疗方向中的“恢复”方向会有些接近。教育科技是个千亿级的市场，目前，脑机接口创业公司BrainCo就在做这一方向，主要是对学生注意力值的实时探测和训练，既可以而帮助老师及时了解课堂情况改变教学情况，也能够帮助学生提高注意力。