介紹腦機(jī)接口在應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)取得的成果以及目前進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢(shì)

腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）通過解碼人類思維活動(dòng)過程中的腦神經(jīng)活動(dòng)信息，構(gòu)建大腦與外部世界的直接信息傳輸通路，在神經(jīng)假體、神經(jīng)反饋訓(xùn)練、腦狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。2017年可以說是腦機(jī)接口發(fā)展的新起點(diǎn)，在近年來一系列腦機(jī)接口相關(guān)科學(xué)研究突破的推動(dòng)下，腦機(jī)接口技術(shù)開始走向成熟，正在得到工業(yè)界越來越多的關(guān)注和投入，例如，創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)軍人物Elon Musk等投資創(chuàng)立面向神經(jīng)假體應(yīng)用和未來人機(jī)通信的腦機(jī)接口公司Neuralink，互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)Facebook宣布開始研發(fā)基于腦機(jī)接口的新一代交互技術(shù)。這些行動(dòng)引起了熱烈討論，也將促進(jìn)腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)一步的加速發(fā)展。本文立足于2017年腦機(jī)接口研究動(dòng)態(tài)，首先介紹腦機(jī)接口在應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面所取得的年度重要成果，隨后介紹應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究的新進(jìn)展，最后對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

一、應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：更有效的交流與控制

字符輸入

讓重度運(yùn)動(dòng)障礙患者重獲與外界交流溝通的能力，是腦機(jī)接口的最重要應(yīng)用目標(biāo)之一。繼近年來基于頭皮腦電的字符輸入研究取得突破性進(jìn)展之后，2017年2月，美國斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一項(xiàng)利用顱內(nèi)腦電進(jìn)行字符輸入的高性能腦機(jī)接口應(yīng)用系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，研究者在脊髓側(cè)索硬化癥和脊髓損傷癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)皮層負(fù)責(zé)手部運(yùn)動(dòng)的區(qū)域植入高密度微電極陣列采集動(dòng)作電位和高頻的局部場(chǎng)電位，解碼這些電極上的神經(jīng)活動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕上二維光標(biāo)的連續(xù)控制以及字符選擇的“點(diǎn)擊”動(dòng)作，從而讓患者實(shí)現(xiàn)通過屏幕虛擬鍵盤輸入文本與外界交互（圖1）。3位使用該系統(tǒng)的癱瘓患者分別實(shí)現(xiàn)了每分鐘39.2、31.6、13.5個(gè)英文字符的輸入，這也是目前在運(yùn)動(dòng)障礙患者中所實(shí)現(xiàn)的最快信息傳輸速率。與頭皮腦電相比，植入顱內(nèi)的電極所得腦電信號(hào)的信噪比更高、信號(hào)更穩(wěn)定，在面向癱瘓病人的腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該研究發(fā)表在神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)工程領(lǐng)域的前沿期刊《eLife》上。

圖1 一位脊髓側(cè)索硬化癥患者通過腦機(jī)接口系統(tǒng)進(jìn)行字符輸入

動(dòng)作控制

控制輪椅、機(jī)械手臂等動(dòng)作輔助裝置對(duì)于提升重度運(yùn)動(dòng)障礙患者的生活質(zhì)量有著與字符輸入同等重要的意義，也是腦機(jī)接口領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。2017年5月，來自美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在國際領(lǐng)先的臨床醫(yī)學(xué)期刊《The Lancet》上發(fā)表的研究則在這個(gè)方向上更進(jìn)一步。他們將腦機(jī)接口與功能電刺激技術(shù)結(jié)合起來，使患者可以控制自己原本癱瘓的肢體與外界進(jìn)行動(dòng)作交互。

功能電刺激（functional electrical stimulation，F(xiàn)ES）是一項(xiàng)通過對(duì)外周神經(jīng)和肌肉組織施加電刺激，使得高位截癱患者能夠重獲四肢運(yùn)動(dòng)能力的技術(shù)（圖2（a））。該項(xiàng)研究中，研究者通過植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)將直接提取創(chuàng)傷性高位頸脊髓損傷患者位于運(yùn)動(dòng)皮層負(fù)責(zé)手部運(yùn)動(dòng)區(qū)域的腦神經(jīng)信號(hào)，以高頻帶的頻譜能量和動(dòng)作電位超過閾值的次數(shù)為特征，解碼出對(duì)應(yīng)的功能電刺激器的刺激參數(shù)，控制功能電刺激器，對(duì)患者已癱瘓的手臂輸出電刺激引發(fā)肌肉活動(dòng)?；颊咴诮?jīng)過一定時(shí)間的訓(xùn)練后可以實(shí)現(xiàn)探出（reach）和抓?。╣rasp）的動(dòng)作，在測(cè)試階段，患者在12次嘗試中有11次成功實(shí)現(xiàn)了使用自己已癱瘓的胳膊和手掌完成喝咖啡任務(wù)（圖2（b）），每次任務(wù)時(shí)間在20~40 s。該腦機(jī)接口系統(tǒng)能夠幫助患者實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)作控制，接近實(shí)際生活中的動(dòng)作模式，有望在未來幫助患者實(shí)現(xiàn)對(duì)癱瘓肢體的自然流暢動(dòng)作控制，從而大大提升患者的生活品質(zhì)。

圖2 結(jié)合顱內(nèi)腦機(jī)接口與功能電刺激實(shí)現(xiàn)患肢閉環(huán)控制

基于腦機(jī)接口的動(dòng)作控制應(yīng)用不僅可以服務(wù)于用戶的控制需求，還可能有更多的醫(yī)學(xué)意義?；弥词且环N病人對(duì)他們不存在或者已經(jīng)癱瘓的四肢感覺到疼痛的疾病，目前尚無有效治療方案。日本大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用腦機(jī)接口訓(xùn)練使得幻肢在感覺運(yùn)動(dòng)皮層的表征減弱，可以有效地減少幻肢的疼痛感，腦機(jī)接口訓(xùn)練有望成為一種可面向臨床的幻肢痛治療手段。該研究成果發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，并獲得2017年度腦機(jī)接口研究獎(jiǎng)（2017 Annual BCI Award）第3名。

完全閉鎖狀態(tài)患者信息輸出

脊髓側(cè)索硬化患者是腦機(jī)接口系統(tǒng)的重要目標(biāo)患者群體。脊髓側(cè)索硬化癥，又稱漸凍癥，發(fā)展到最嚴(yán)重的情況時(shí)，患者將完全失去對(duì)所有肌肉的控制能力，這種情況被稱為完全閉鎖狀態(tài)（completely locked-in state，CLIS）?，F(xiàn)有腦機(jī)接口系統(tǒng)往往部分依賴患者的殘留神經(jīng)與肌肉控制能力，無法適用于這樣的患者。2017年1月，來自德國蒂賓根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于功能近紅外腦功能成像，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)可應(yīng)用于CLIS患者的腦機(jī)接口系統(tǒng)。研究者通過分析功能近紅外采集到的額葉中部血液含氧量變化進(jìn)行分類，4名患者經(jīng)過數(shù)周訓(xùn)練后，可以對(duì)一系列語音呈現(xiàn)的問題通過調(diào)節(jié)腦神經(jīng)活動(dòng)模式來回答“是”或“不是”，正確率在70%左右。該項(xiàng)工作發(fā)表在《PLoS Biology》期刊上。

二、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展：新硬件、新算法、新范式

新硬件

腦機(jī)接口實(shí)用化系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)腦神經(jīng)信號(hào)采集與處理設(shè)備的小型化、無線化提出了高要求。雖然目前已有不少基于腦電的小型化設(shè)備推出，但是能同時(shí)采集多種神經(jīng)生理信號(hào)的小型化硬件還不多見。2017年6月，德國柏林工業(yè)大學(xué)的腦機(jī)接口研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一款可同時(shí)采集腦電、功能近紅外腦功能像，以及其他常規(guī)生理參數(shù)（如心電、肌電和加速度等）的無線模塊化硬件架構(gòu)（M3BA：a mobile，modular，multimodal biosignal acquisition architecture），其中每個(gè)M3BA模塊（不含電池）的邊長僅為42 mm（圖3）。這是首個(gè)同時(shí)兼?zhèn)淞四K化、可移動(dòng)化、小型化、多模態(tài)和可擴(kuò)展性的多生理參數(shù)采集架構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用具有積極意義。

圖3 M3BA概念圖

信號(hào)采集是制約腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用的重要因素。對(duì)基于頭皮腦電的無創(chuàng)腦機(jī)接口而言，濕電極方案的腦機(jī)接口系統(tǒng)需要花費(fèi)較長時(shí)間準(zhǔn)備導(dǎo)電膏，使用后需要清洗頭發(fā)；而以往的干電極系統(tǒng)主要采集前額區(qū)域腦電信號(hào)，所得解碼的大腦狀態(tài)少且準(zhǔn)確率低，實(shí)際使用場(chǎng)景有限。美國加州大學(xué)圣迭戈分校的研究團(tuán)隊(duì)在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》報(bào)道了一種將電極放置在耳后無毛發(fā)覆蓋區(qū)域的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口系統(tǒng)，并在一個(gè)12分類任務(wù)中，達(dá)到了85%左右的分類正確率，信息傳輸率達(dá)到30 bit/min左右（圖4（a））。這一研究進(jìn)展對(duì)于普通健康人群在日常生活情境中便捷采集腦電并高效使用腦機(jī)接口提供了可行性支撐。相應(yīng)的，基于耳后電極的腦機(jī)接口商業(yè)硬件現(xiàn)在開始出現(xiàn)（圖4（b）），有望推動(dòng)相關(guān)應(yīng)用快速走向市場(chǎng)。

圖4 耳后腦電采集位點(diǎn)新嘗試

新算法

如何提高信息傳輸速率一直是腦機(jī)接口研究領(lǐng)域的重要話題。受到腦神經(jīng)信號(hào)信噪比低等因素的限制，腦機(jī)接口的信息傳輸速率，相比于正常輸出通路（即外周神經(jīng)和肌肉組織）一直較低，如經(jīng)典的P300腦機(jī)接口字符拼寫系統(tǒng)的信息傳輸速率約為0.5 bit/s。2015年國內(nèi)清華大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的高速腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了4.5 bit/s的通信速率。2017年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所及合作研究團(tuán)隊(duì)取得進(jìn)一步突破，提出任務(wù)相關(guān)成分分析算法，將穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口的通訊速率進(jìn)一步提升到5.4 bit/s，最優(yōu)結(jié)果達(dá)到6.3 bit/s，是目前已有報(bào)道的最快頭皮腦電腦機(jī)接口系統(tǒng)，有望推動(dòng)腦機(jī)接口應(yīng)用在普通健康人群的日常生活中。該項(xiàng)工作發(fā)表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》上。

此外，丹麥奧爾堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者注意力變化并進(jìn)行自適應(yīng)特征提取的在線腦機(jī)接口算法，該算法在長期使用中依然保持良好性能。該成果獲評(píng)2017年度腦機(jī)接口研究獎(jiǎng)（2017 Annual BCI Award）第1名。

新范式

基于視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口是當(dāng)前信息傳輸速率最高的腦機(jī)接口類型，目前所報(bào)道的該類型系統(tǒng)中，每一個(gè)指令對(duì)應(yīng)一個(gè)特定視覺編碼（時(shí)間、頻率或偽隨機(jī)編碼等），通過解讀該編碼所誘發(fā)的特定腦電響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。2017年，德國漢堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出基于空間信息編碼的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口新范式，僅使用一個(gè)穩(wěn)態(tài)視覺刺激物實(shí)現(xiàn)多個(gè)注意目標(biāo)的識(shí)別。該新范式基于視皮層視網(wǎng)膜映射原理實(shí)現(xiàn)，用戶注意該視覺刺激的不同空間方位時(shí)，所誘發(fā)的腦電響應(yīng)的空間模式不同，離線9方位的分類正確率達(dá)到95%左右。隨后，漢堡大學(xué)與清華大學(xué)合作實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4分類的在線系統(tǒng)，在一個(gè)實(shí)際二維運(yùn)動(dòng)控制游戲中實(shí)現(xiàn)了90%左右的在線分類性能。在這樣的范式中，由于不需要直視穩(wěn)態(tài)視覺刺激物，用戶視覺負(fù)荷較低，用戶體驗(yàn)更好；同時(shí)，該設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕的使用也較經(jīng)濟(jì)，可以較好的被整合在更自然或復(fù)雜的應(yīng)用背景中，有較好的實(shí)用前景。

想象運(yùn)動(dòng)是腦機(jī)接口中常用的另一個(gè)主要范式類型，但如何進(jìn)行有效的想象運(yùn)動(dòng)任務(wù)訓(xùn)練尚無標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。國內(nèi)華東理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出讓用戶想象用手書寫漢字作為想象運(yùn)動(dòng)任務(wù)范式，取得了顯著高于傳統(tǒng)范式的分類性能。該范式針對(duì)國內(nèi)用戶群體特點(diǎn)進(jìn)行范式任務(wù)設(shè)計(jì)，為腦機(jī)接口在中國的推廣應(yīng)用提供了很好的思路。

三、發(fā)展趨勢(shì)與展望

機(jī)器學(xué)習(xí)算法與數(shù)據(jù)規(guī)范化

以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代機(jī)器學(xué)習(xí)算法正在得到腦機(jī)接口領(lǐng)域研究者越來越多的關(guān)注，有望減輕研究者進(jìn)行神經(jīng)數(shù)據(jù)特征提取的工作負(fù)擔(dān)，并同時(shí)保持優(yōu)秀的分類性能。值得一提的是，國內(nèi)上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的研究團(tuán)隊(duì)在腦機(jī)接口情緒識(shí)別、P300腦機(jī)接口注意目標(biāo)識(shí)別、想象運(yùn)動(dòng)分類等方面已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果。

由于新興機(jī)器學(xué)習(xí)算法的分類器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)量提出了更高的要求。在這樣的背景下，幾個(gè)領(lǐng)先的腦機(jī)接口研究團(tuán)隊(duì)開始推動(dòng)數(shù)據(jù)規(guī)范化與開放共享：清華大學(xué)與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一套具有35名受試者與40種刺激頻率的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集；德國柏林工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則推出了同時(shí)采集腦電與近紅外腦功能影像信息的混合腦機(jī)接口數(shù)據(jù)集，包括29名受試者的數(shù)據(jù)，包含想象運(yùn)動(dòng)、心算等經(jīng)典腦機(jī)接口任務(wù)。上述數(shù)據(jù)集都可供全球研究者免費(fèi)下載使用，對(duì)促進(jìn)腦機(jī)接口領(lǐng)域的算法研究有積極意義。

腦機(jī)接口與神經(jīng)倫理

隨著腦機(jī)接口技術(shù)逐步走向成熟、走近應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)可能引發(fā)的倫理問題也開始引起越來越多的關(guān)注和討論。2017年11月，25位腦機(jī)接口、神經(jīng)工程與人工智能領(lǐng)域研究的知名學(xué)者聯(lián)名在《Nature》期刊發(fā)表評(píng)論文章，提出了神經(jīng)工程技術(shù)發(fā)展中的4個(gè)主要倫理問題。首先是隱私問題，相比于其他生理參數(shù)，神經(jīng)信號(hào)攜帶了更為豐富的個(gè)人信息，如何對(duì)用戶的個(gè)人隱私進(jìn)行保護(hù)，需要在發(fā)展相關(guān)技術(shù)時(shí)著重考慮；其次是身份認(rèn)定，對(duì)于長期植入腦刺激器的群體，如何判定其行為是受自身支配還是受設(shè)備支配，在道德和法律層面都需要界定；再次是強(qiáng)化問題，若利用神經(jīng)工程技術(shù)打造能力強(qiáng)于常人的超級(jí)特工用于戰(zhàn)爭，是否違反社會(huì)準(zhǔn)則；最后是偏見問題，如何建立可兼顧各群體利益的、相對(duì)公平的技術(shù)發(fā)展準(zhǔn)則，如果存在某種根植于神經(jīng)設(shè)備中的偏見，可能引發(fā)嚴(yán)重社會(huì)問題。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2017年是腦機(jī)接口領(lǐng)域充滿機(jī)遇的一年。據(jù)估算，目前美國每年有近1億美元投入到腦機(jī)接口及其他神經(jīng)工程相關(guān)領(lǐng)域，并且這個(gè)數(shù)字還在不斷地增長。除了Neuralink、Facebook為代表的工業(yè)界關(guān)注之外，各國政府也對(duì)該技術(shù)給予了高度重視。美國、歐盟、日本以及中國的腦計(jì)劃都將為腦機(jī)接口提供關(guān)鍵神經(jīng)生理基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)方法支撐；而美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)布了名為神經(jīng)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Neural Engineering Systems Design）的新項(xiàng)目，提出實(shí)現(xiàn)一種能同時(shí)用100萬個(gè)電極記錄腦神經(jīng)信號(hào)并可有選擇地激活10萬個(gè)神經(jīng)元的無線腦部植入設(shè)備的目標(biāo)（圖5）。

圖5 一種無線腦部植入設(shè)備的概念圖

腦機(jī)接口領(lǐng)域同樣還面臨著許多挑戰(zhàn)。2017年10月，《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上發(fā)表了IEEE Brain Initiative Special Issue on BMI/BCI Systems的特刊，所配編輯評(píng)論文章中總結(jié)了腦機(jī)接口領(lǐng)域當(dāng)前需要解決的幾個(gè)重大問題，包括腦機(jī)接口系統(tǒng)如何在日常應(yīng)用中保持性能穩(wěn)定，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多通道、低功耗、長使用壽命的無線腦電植入設(shè)備，如何將腦機(jī)接口推向臨床實(shí)踐等。伴隨著持續(xù)增加的人力和經(jīng)費(fèi)投入，腦機(jī)接口研究者們已經(jīng)在為實(shí)現(xiàn)未來理論和技術(shù)的重大突破積極準(zhǔn)備著。