大腦說(shuō)什么，腦機(jī)接口知道

衣曉峰

2020年8月，特斯拉公司的創(chuàng)始人馬斯克向媒體公布了自己麾下公司的一項(xiàng)重大成果——最新的腦機(jī)接口技術(shù)。

研究人員將一枚只有硬幣大小的腦機(jī)接口設(shè)備植入豬腦中，建立了大腦與外界的聯(lián)系。當(dāng)這個(gè)豬的鼻子觸碰到外界物體時(shí)，它腦內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)有對(duì)應(yīng)的反應(yīng)，這表明這個(gè)植入裝置采集了正確的神經(jīng)信息。這個(gè)植入裝置放進(jìn)去兩個(gè)月后，他們把這個(gè)小豬放在一個(gè)跑步機(jī)上，從它腦內(nèi)的神經(jīng)信號(hào)可以看出它走路的節(jié)律。馬斯克說(shuō)，這個(gè)設(shè)備已經(jīng)申請(qǐng)到創(chuàng)新性醫(yī)療器械，下一步可以植入人腦了。

有專家借用美國(guó)宇航員尼爾·阿姆斯特朗的話來(lái)評(píng)論這項(xiàng)技術(shù)：“這是個(gè)人邁出的一小步，但卻是人類邁出的一大步?！?h3>科幻大片一步步走向現(xiàn)實(shí)

那么，“吃瓜”群眾的問(wèn)題來(lái)了：人們能夠利用自己的大腦意念控制物體嗎？電影《阿凡達(dá)》中所有生物的意識(shí)都能與機(jī)器連接的場(chǎng)景，會(huì)不會(huì)變成現(xiàn)實(shí)？給大腦安上電極或芯片，就能操縱想象中的一切事物，讓萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能、人機(jī)互動(dòng)了嗎？

如果說(shuō)，《阿凡達(dá)》所描述的場(chǎng)景離我們還有些遙遠(yuǎn)的話，那么這個(gè)攝制組拍的另一部科幻電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》，所講述的醫(yī)生從垃圾堆撿到一個(gè)小女孩的腦袋，給她做了一個(gè)身體，實(shí)現(xiàn)了人腦組織和機(jī)械體共融的故事，則離我們?cè)絹?lái)越近。

臨床上，癱瘓是神經(jīng)系統(tǒng)常見(jiàn)的癥狀，表現(xiàn)為隨意運(yùn)動(dòng)功能的減低或喪失，是神經(jīng)、神經(jīng)肌肉接頭或肌肉疾病所致。

近年來(lái)，基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口技術(shù)，其原理涉及腦電信號(hào)中包含與肢體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息。當(dāng)大腦開始執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，通過(guò)深入挖掘相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征，可對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂等外部設(shè)備，真正做到靠意念來(lái)控制。

癱瘓病人因此有望憑借意念舉起紙杯，翻閱報(bào)紙，實(shí)現(xiàn)意圖表達(dá)。而如何采集盡可能少的腦電信號(hào)通道，同時(shí)確保較高的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別精度，是現(xiàn)今便攜式可穿戴設(shè)備產(chǎn)品化、市場(chǎng)化的重要保證。

真正實(shí)現(xiàn)用大腦“說(shuō)話”

哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士曹天傲指出，人腦的電信號(hào)蘊(yùn)含了大量豐富的生理信息，如疲勞程度、專注度、情感、疼痛位置及強(qiáng)度、睡眠深度、麻醉深度和肢體運(yùn)動(dòng)意圖等。通過(guò)深入挖掘腦電信號(hào)中的特征，可以客觀、準(zhǔn)確地反映人體當(dāng)前的生理狀態(tài)。故腦機(jī)接口技術(shù)不依賴外周神經(jīng)和肌肉組織，就能直接構(gòu)筑人腦與外部設(shè)備的通信渠道，即使對(duì)于因腦卒中等疾病而癱瘓的病人，也可以從其腦電信號(hào)中檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)意圖，真正實(shí)現(xiàn)用大腦“說(shuō)話”。

那么，腦電信號(hào)中具體包括運(yùn)動(dòng)意圖的哪些特定信息？如何捕捉腦電信號(hào)來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)意圖？怎樣保證運(yùn)動(dòng)意圖判斷的準(zhǔn)確性？針對(duì)這些問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院孫金瑋教授及其團(tuán)隊(duì)成員曹天傲、王啟松等人自2018年到現(xiàn)在，已經(jīng)在《物理學(xué)雜志》《測(cè)量科學(xué)與技術(shù)》等多個(gè)國(guó)際期刊發(fā)表了一系列學(xué)術(shù)文章，從專業(yè)角度解決了上面一個(gè)個(gè)難題，為開啟人類腦電信號(hào)未知的“大門”，鑄造了一把“金鑰匙”。

找捷徑采集運(yùn)動(dòng)意圖信號(hào)

許多肢體癱瘓病人的大腦損傷很小，仍具有良好的功能，只是中間傳遞運(yùn)動(dòng)信號(hào)的神經(jīng)、神經(jīng)肌肉接頭或肌肉受傷，故可以通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)探尋腦電信號(hào)并探尋運(yùn)動(dòng)的意圖所在。曹天傲解釋，患者需要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，即想象自己某一肢體的運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際上該肢體保持不動(dòng)，病人只是進(jìn)入單純的肢體運(yùn)動(dòng)想象場(chǎng)景。此時(shí)腦電波會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)特征，研究人員將采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行噪聲去除后，提取出運(yùn)動(dòng)相關(guān)特征，即可對(duì)病人運(yùn)動(dòng)意圖做出預(yù)測(cè)識(shí)別。

傳統(tǒng)思路是用盡可能多通道的腦電信號(hào)采集全面的信息，并利用算法提取運(yùn)動(dòng)意圖特征，最后用專業(yè)的分類法提升意圖預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。但這樣的方法使實(shí)驗(yàn)操作更復(fù)雜，運(yùn)算更耗時(shí)，設(shè)備更龐大，不利于實(shí)際產(chǎn)品的市場(chǎng)化。

孫金瑋團(tuán)隊(duì)則是在控制運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別準(zhǔn)確率保持在一定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)分析方法的改進(jìn)，對(duì)腦電信號(hào)的采集通道展開權(quán)重分析，逐一判斷每個(gè)通道的貢獻(xiàn)大小，據(jù)此對(duì)通道權(quán)重展開排序，之后觀察高權(quán)重通道的采集數(shù)量與最終運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別準(zhǔn)確率問(wèn)的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用大約25%的通道已經(jīng)能達(dá)到令人滿意的識(shí)別率。而當(dāng)增加采集通道數(shù)時(shí)，準(zhǔn)確率無(wú)明顯變化，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

孫金瑋教授強(qiáng)調(diào)，這種“做減法”的腦區(qū)最佳通道選擇策略，在保證大腦運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別準(zhǔn)確性的同時(shí)，借助盡可能少的采集通道，可以對(duì)頭腦中的運(yùn)動(dòng)想象動(dòng)作給出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。癱瘓病人可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象來(lái)控制外部設(shè)備，例如通過(guò)調(diào)控機(jī)械臂完成不同動(dòng)作，抓取傳遞物體，喝水進(jìn)食等，真正實(shí)現(xiàn)了“意念控制”的目的。

癱瘓病人也能“健步如飛”

腦機(jī)接口通過(guò)解碼和揭示人類思維活動(dòng)過(guò)程中的腦神經(jīng)信號(hào)，構(gòu)建起大腦與外部世界的直接“信息公路”，對(duì)肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、帕金森病、特發(fā)性震顫、高位截癱等重度運(yùn)動(dòng)障礙疾病的治療意義重大，可望取得全新的突破。

黑龍江省農(nóng)墾總醫(yī)院康復(fù)中心主任張俊教授認(rèn)為，癱瘓病人完全可以利用其腦電信號(hào)，配合外部智能設(shè)備，如機(jī)械手、假肢、外骨骼、康復(fù)機(jī)器人等，進(jìn)行意圖的表達(dá)與動(dòng)作的執(zhí)行。臥床不起的人，可以通過(guò)腦電信號(hào)，操控外部的智能機(jī)械手幫助自己移動(dòng)物體，完成喝水吃飯。截肢患者往往生活不便，被籠罩在身體和心理的雙重陰影下，而智能假肢的使用能夠按照他們自己的大腦指令來(lái)完成動(dòng)作，如借助腦控智能假腿站起來(lái)，甚至驅(qū)動(dòng)假腿走路、上下樓梯，以及高速奔跑等，重返“陡步如飛”的狀態(tài)。

腦卒中及脊髓損傷病人也完全可以憑借腦控智能機(jī)器人，開展康復(fù)訓(xùn)練，完成程序繁瑣而又高難細(xì)致的指定動(dòng)作。張俊認(rèn)為，在康復(fù)進(jìn)程中，患者大腦的電波活動(dòng)反映了本人的強(qiáng)烈渴望和主動(dòng)參與的意愿，這種主動(dòng)參與性誘導(dǎo)了大腦神經(jīng)通路的恢復(fù)，神經(jīng)系統(tǒng)得到重塑和修復(fù)，有望讓傷殘者喪失已久的肢體運(yùn)動(dòng)功能“失而復(fù)得”。

展望未來(lái)，曹天傲博士指出，許多工種的勞動(dòng)者經(jīng)常要搬動(dòng)沉重的貨物，天長(zhǎng)日久免不了腰肌勞損、腰彎背駝等問(wèn)題。而一旦有了智能外骨骼的助力，搬運(yùn)工人可通過(guò)自己的腦電活動(dòng)，指揮外骨骼“大力士”協(xié)助搬運(yùn)大件物體。毋庸置疑，外骨骼勝任的重量往往是人類本身最大力量的數(shù)倍。配備外骨骼的工人可代替叉車，將艱苦的勞動(dòng)變得簡(jiǎn)單輕松。

這樣的愿景，在中外科學(xué)家的努力下，不再遙不可及。