用“意念”操控世界!脑机接口技术详谈

发布时间:2015-7-21 10:57    发布者:designapp
关键词: 脑机接口 , 脑电图 , NIRS , 意念操控


往常我们提到意念控制、大脑控制总是会浮现出许多科幻电影中的场景,似乎,这种技术距离我们很远,然而随着技术的发展推进,我们的大脑真的开始成为新的“输入设备”。

有人大概还记得,2014年巴西世界杯开幕式上,一名残疾少年在脑控外骨骼的帮助下完成开球的一幕。实际上,已经有不少团队开发了诸如,脑控机器人、脑控直升飞机以及还有何虚拟现实结合的想象应用等等。

通过读取大脑的活动,人们不用动手或做出其他姿势,就能操控外界的设备,这种技术被叫做——脑机接口。脑机接口的开发如此火爆是因为,过去只能由医院大型设备才能做到的大脑检测,现在已经可以通过脑电波仪、近红外光脑成像(NIRS)等小型设备完成。

当然,现阶段的技术还与科幻电影中的“心想事成”相差很远。例如,日经商务周刊上报道的金泽工业大学中泽实教授的“意念”操作轮椅,是需要通过用户在大脑中选择浮现“1”或“2”的形状才能实现机械的转动。而要实现用脑电波检测出较为复杂的思维(比如地点或更多复杂的目标方式)现阶段还是很困难的。

除了脑电波,还有其他的一些采集大脑活动信息的技术方式。岛津制作所就利用近红外分光光度法(NIRS)”,根据血液中的含氧量来检测大脑活动状态。这种方式相比脑电波检测,在读取大脑信息上会更为详细。更有机构把岛津制作所的NIRS技术与脑电波技术结合起来,这样能实现更多样的大脑操控活动。





下面我们来详细了解目前已有的几种实现“意念操控”的脑机接口技术。

脑机接口,又称BMI , 是在大脑与外部环境建立的神经信息交流与控制的通道,实现中枢神经系统与体内或体外设备之间的直接交互。从广义上来说,凡是将大脑与外部环境进行连接的设备都属于脑机接口领域。在一些学术论文中,它分为有创和无创两种,有创是指在大脑内部植入设备,而无创则是在外部建立与大脑的连接。

PingWest特约作者啸语为我们具体介绍了目前的这几种脑机接口技术,以下摘自其系列文章。

现阶段脑机接口的主要目标是通过电极读取运动皮层的电信号,从而控制鼠标光标、机械手臂,或者电刺激控制人体肌肉运动。脑机接口具有改变人与人交互方式的潜在价值。

脑机接口需要读取大脑皮层的神经活动信号,并进行分析。读取信号的原理可以在下图总览,具体可以分为两类,非侵入式脑机接口和侵入式脑机接口,区别在于是否需要植入传感器

非侵入式的脑机接口技术主要有下面这几种:

脑电(EEG)

其中门槛最低,也是消费级玩具最多的脑电图(EEG),只能测量大量神经细胞电活动的叠加电位,即所谓的“脑波”,而无法检测更具体的神经信号,空间分辨率非常低。雪上加霜的是,由于颅骨对信号的衰减作用,因此隔着颅骨很难读取到有用的脑活动信号,并且大脑几百亿个细胞的电活动,是不可能仅靠外面几个电极推算出来的,基于脑电图(EEG)的非侵入式脑机接口如果想达到上图其他技术的分辨率,就像“在沙尘暴中利用几个或者几十个像素的相机,通过拍摄一个人的影子来判断这个人的长相”一样困难,所以脑机接口技术真正的进步要指望的并不是某些玩具生产商。

尽管如此,通过检测最粗糙的脑电位信号,DARPA(美国国防部先进计划研究署)也能实现一些超出玩具的、真正提高生产力的应用案例,比如:加速学习计划Accelerated Learning和神经技术提升情报分析 Neurotechnology for Intelligence Analysts (NIA)。

加速学习计划主要专注于非侵入性测量与任务学习相关的神经和其他生理数据,最终目标是实现个人学习效率翻倍。

神经技术提升情报分析计划的目标是利用非侵入式脑电位记录,开发新型脑机接口系统,以显著提高图像情报分析的效率。NIA的工作流程:对于俯拍图像进行分割,通过脑电快速检测筛选目标。


        
功能性核磁共振(fMRI)

由于神经细胞本身并没有储存糖类或者氧,而神经元放电必然消耗能量,因此血氧水平(blood oxygenlevel-dependent, 血氧依赖水平)可以间接反映神经元活动。给实验者播放影像,通过fMRI读取血氧信号,把已知的影像特征与血氧信号结合,从而通过机器学习得到模型,破 解大脑的视觉原理,重建实验者看到的人脸,甚至还可以读取梦境。

fMRI的缺点在于血氧变化与神经电信号并不同步,血氧信号的峰值一般比神经活动滞后6s左右。

通过血氧重建视觉的结果与原图对比,来自理论物理学家和科普作家加来道雄的演讲ppt,他表示MRI设备小型化的物理极限是手机尺寸。

功能性近红外光脑成像(fNIRS)

功能性近红外光脑成像(fNIRS),与刚才介绍的功能性磁共振成像(fMRI)类似,都是利用血流和血氧变化来测量大脑活动。区别在于fMRI利用磁阵造影成像,而fNIRS则利用血管中血红蛋白对于近红外光的散射性变化:特定光源向用户投射光线,由图像传感器通过光学窗口监测血管的图像数据,血液颜色由于氧含量的变化产生改变。

与fMRI对比,fNIRS成本较低,比如日本日立高新技术的消费级脑活动检测装置预计价格1万至1.5万日元(约合人民币507至760元),有望2016年产品化。但是fNIRS空间分辨率低。从脑活动到血流变化存在5秒左右的时间延迟,因此其实时性比上篇提到的EEG要差。并且因为依靠大脑内部的血流变化过程,难以检测大脑瞬间的变化,因此时间分辨率也较低。
类似的原理也用在了Apple watch背部的传感器,通过监测血氧来推算心率,该功能尚未开放给应用开发者。



类似的原理也用在了中科微光的投影式红外血管成像仪,将皮下血管原位投影显示在皮肤表面,帮助医护人员识别患者皮下细微血管进行精准穿刺,比肉眼识别效果更好。



脑磁图(MEG)

根据麦克斯韦方程,任何电流都会产生一个正交磁场。脑磁图(Magnetoencephalography ,MEG)主要通过测绘脑内神经细胞脉冲电流产生的生物磁场,来间接推算大脑内部的神经电活动。脑磁测量不容易受到介质的影响,所以空间分辨率比EEG更高。但是因为敏感度高,容易受到环境干扰,所以需要严密的电磁场屏蔽室,并且设备昂贵笨重。

在实际应用当中,MEG主要用于活动时间测量。 MEG可以解决事件具有10毫秒或更高的时间精度,而功能性磁共振成像(fMRI)依赖于血流变化,时间分辨率最高只有几百毫秒。
        
多种技术配合,取长补短

非侵入式的几种手段都存在各自的不足,因此需要多种技术配合,取长补短。2010年日本国际电气通信基础技术研究所(ATR)和日本信息通信研究机构(NICT)开发出了通过非侵入式测量,连续推断并再现用户指尖动作二维坐标的脑机接口。具体为,将时间分辨能力高的脑磁(MEG)和空间分辨能力高的核磁共振(fMRI)结合。虽然在性能和实际效果方面达到了非侵入式脑机接口领域的顶尖水平,但是这两种设备都有昂贵笨重的缺点,因此为了实用化,也在开发使EEG和NIRS相结合也可利用此次的技术。

随后2014年,日本国际电气通信基础技术研究所(ATR)等联合开发出了辅助老年人及残疾人日常生活的低成本脑机接口,演示了通过脑机接口执行开电视、开空调、开灯三种动作。根据实时脑活动判断用户意图,准确率达到84%。

该脑机接口以近红外光脑成像(NIRS)为主,只用于操控家电。而脑电EEG辅助,只用于检测用户的不适感等情绪。与上面的技术方案相比效果严重缩水,最后的总体延迟时间为17秒左右,这样的时间延迟,对于老年人和残疾人还不如直接用语音识别控制。

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