脑机接口不断迎来重大突破，“思想钢印”还会远吗？
最后更新：2020-05-20 10:24:36 手机定位技术交流文章
首先，脑机接口的发展正达到高潮。
上个月，在脑-机接口领域取得了另一项重大突破:瘫痪者成功地恢复了他们的运动能力，触觉准确率达到90%。
4月23日，《细胞》杂志发表了一篇来自俄亥俄州巴特尔研究所和俄亥俄州立大学威斯纳医学中心的轰动性研究论文。介绍了一例通过脑-机接口(BCI)系统恢复严重脊髓损伤患者手触和运动能力的病例。
在这项研究中，研究人员评估了一个假设，即受损手的剩余感觉神经活动可以通过脑-机接口技术解码，并动态转换成用户可以感知的闭环感觉反馈，从而潜在地增强感觉功能。
同时，由于触摸对运动控制至关重要，脑-机接口技术有望使脊髓损伤患者除了单独恢复触摸功能外，仅用一只手就能恢复触摸和运动功能。结果，研究人员在病人的皮肤上放置了一个电极系统，并在他的大脑运动皮层植入了一个小的记录芯片。这种芯片不仅有机会使瘫痪病人恢复正常运动，而且还能恢复触觉。研究人员说，与机会相比，他们在实验中达到了90%的准确率。
研究人员说，这种脑-机接口系统有三个重要的改进:
首先，该系统能让病人仅通过触摸就能可靠地检测到某些东西。将来，该系统还可以用来寻找和拾取不可见的物体。
此外，该系统也是第一个能同时恢复运动和触摸的脑-机接口，并能在运动过程中体验到增强触摸的能力，使患者能有更好的控制感。
最后，改进后的脑-机接口系统可以感知在处理物体或拾起物体时需要使用多大的力，例如，当拾起诸如塑料杯之类的易碎物体时使用较轻的抓握力，但是当拾起较重的物体时使用较大的抓握力。
值得一提的是，上述研究并不是最近科学家在脑-机接口领域取得进展的唯一案例。从2012年巴西世界杯开始，穿着机器盔甲的截肢者用他们的脑-机接口和机械外骨骼取得了一个目标，直到2016年，斯坦福大学神经假体植入实验室的研究人员将脑-机接口植入了两只猴子的大脑。这只猴子创造了大脑控制打字的新记录——莎士比亚的经典台词“生存还是毁灭”。这是一分钟内播放的问题。到目前为止，全世界超过50万人正在使用人工耳蜗，人工耳蜗通过处理将接收到的声音转换成电信号，将电信号传输到植入内耳的植入物，然后大脑处理传输的信号，使听力受损的患者能够听到声音。在脑-机接口领域有许多里程碑。
不久前，加州大学旧金山分校张智威实验室的研究团队创建了一个新的人工智能系统，可以根据人脑信号生成文本，准确率高达97%。人工智能系统使用一种全新的方法来解码脑电图:通过将电极植入大脑，获得皮层活动中产生的电脉冲记录。
此外，三月底，旧金山加利福尼亚大学的研究人员发表了一项关于自然补充神经科学的新研究。使用机器学习方法，他们可以直接将脑电波信号转换成有意义的语音和文本。翻译的准确性得到了极大的提高，最小错误率仅为3%。脑-机语言翻译的出现意味着一种新的人类互动形式，即直接将脑信号转换为语言信号，帮助因中风偏瘫、健忘症或其他神经系统疾病而丧失语言功能和交流能力的人恢复语言交流能力。
今年1月，浙江大学医学院第二附属医院还利用“脑-机接口技术”，让一名因车祸造成第四颈椎脊髓损伤和四肢瘫痪的患者用“思维”控制机械臂，从而握手、喝酒、吃油条。
……
简而言之，自20世纪70年代初以来，人脑-计算机接口研究已经允许受试者学习如何通过生物反馈训练自主控制脑电图节律。到1995年，世界上从事脑-机接口研究的团体不超过6个，1999年超过20个，2002年接近40个。现在，脑-机接口在技术水平和研究团队规模上都有了质的飞跃。随着技术的新突破，相关企业越来越多，相关的应用和热度开始上升，其发展正达到高潮。调查数据显示，2020年脑机接口市场规模将达到14.6亿美元，受其影响的应用领域非常广泛。无论是医疗、教育还是消费，都将带来超过10亿美元的巨大市场。
大脑是人类的神经中枢。作为人体最重要的器官之一，它承担着维持人类生存的基本任务。同时，几乎所有高级神经活动都是在大脑中完成的。如果人体被视为计算机，那么大脑就是计算的核心。普通计算机可以通过外部硬盘、外部显卡、外部内存和其他方法来提高性能，因此一些科学家认为，这种“改进”也可以应用于人脑。这一观点的出现最终形成了脑-机接口研究和发展的动力。至于脑-机接口的流行，部分原因可能是人工智能的快速发展和日益增长的威胁理论。
如今，人工智能已经能够在某些方面毫不费力地击败人类。早在2016年AlphaGo击败围棋冠军李石时，人工智能就呈现出新的辉煌。人类创造的模拟人脑神经处理机制的人工神经网络已经具备了在某些方面超越人类的“高智商”。对此，许多人认为，在这个由人工智能和“所有其他生物”组成的未来，人类只有一条出路:“成为人工智能”。正如埃隆·马斯克所说:“我认为人类智能在未来将被人工智能抛在后面。脑机接口可以让我们跟上人工智能的步伐。因此，将大脑与机器连接起来非常重要。”
也许正是因为这个原因，结合近年来人工智能技术和其他技术的不断进步，脑-机接口也迎来了一场爆发。然而，这种科幻电影中经常出现的未来技术正在一步步地走向现实。或许，最终的脑-机接口技术将与小说《三体》中描述的一样。这个人发现了思维印记，也就是人类思维做出判断的机制，并成功地开发了一种装置，通过对神经网络施加影响，使大脑能够在不思考的情况下做出判断，并相信某个信息是真实的。这可以准确地读写，这可能是脑-机接口技术的理论终点。
虽然目前脑-机接口技术还没有达到阅读和控制思维的水平，但是随着各国对这一技术越来越重视，相信脑-机接口技术的爆发在未来是可以预料的。
第二，脑-机接口正在成为世界各国科技竞争的战略制高点。
鉴于脑-机接口技术对未来社会发展的强大推动，脑-机接口技术已经成为世界各国科技竞争的战略高地。总体而言，脑-机接口技术在美国和欧洲发展较早，而日本和中国进入市场较晚。
美国:1989年，它第一个提出了国家脑科学计划，并将本世纪最后十年命名为“大脑的十年”。2013年4月，白宫提出了“大脑计划”，该计划被认为可以与人类基因组计划相媲美。其目的是探索人类大脑的工作机制，描绘大脑活动的完整画面，促进神经科学研究，并为目前无法治愈的脑部疾病开发新的疗法。美国政府宣布，“美国大脑倡议”有一个超过1亿美元的启动基金。经过调整后，该公司计划在未来12年共投资45亿美元。
值得注意的是，2018年11月，美国商务部工业安全管理局根据国会通过的《出口管制改革法案》的要求，发布了最新14类关键技术及相关产品的出口管制框架。在美国出口管制的14项技术中，脑-机接口技术包括:(1)神经控制接口；㈡意识-机器界面；(三)直接神经接口；㈣脑-机接口。可以看出，美国非常重视“脑-机接口技术”。
欧盟:欧洲于1991年发布“欧洲大脑十年”计划。2013年1月，欧盟委员会宣布人类大脑工程入选“未来新兴旗舰技术项目”，并设立了一个专门的研发项目“人类大脑项目(HBP)”，该项目将在未来10年(2012023年)获得10亿欧元的资助。该项目汇集了来自不同领域的400多名研究人员。
日本:1996年，日本制定了为期20年的“脑科学时代”计划，年投资1000亿日元，总投资2万亿日元。2014年9月，日本科学省也宣布了其“大脑项目”的首席科学家和组织模式。日本的“大脑计划”专注于医学领域，主要是利用狨猴的大脑作为模型来加速对人类脑部疾病的研究，如老年痴呆症和精神分裂症。日本政府2015年对大脑项目的预算约为64亿日元(约6375万美元)。
中国:“脑科学与类脑科学研究”被列为“十三五”国家重大科技创新和工程项目。今年年初，中国科学院建立了脑科学与智能技术卓越中心，包括20个研究所的80个精英实验室。对于“中国脑计划”，各个领域的科学家都提出了“一体两翼”的布局方案:即“主体”是研究大脑认知的神经原理，“两翼”是开发重大脑部疾病的新诊疗手段和脑机智能新技术。目标是在未来15年内，在脑科学、脑部疾病的早期诊断和干预以及类大脑智能设备方面取得国际领先的成果。据粗略估计，中国在这一领域的主要投资从2010年的每年约3.48亿元增加到2013年的每年近5亿元。
三、国内外企业脑机接口技术的现状
脑机接口根据电极的位置分为侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。侵入式脑-机接口需要通过手术将信号采集探头放入大脑以采集脑电信号。长期放置探针具有高风险，通常主要用于癫痫患者和动物受试者。非侵入式脑-机接口直接采集头皮脑电图，与植入式脑电图相比，头皮脑电图携带的信息更少，分辨率更低。但是因为它是非侵入性的，所以更加方便和安全。
目前，消费者级脑机接口的主流研究主要采用无创脑电技术。下面，本文对目前活跃的国内外相关企业进行了梳理:
国内重点企业
国外重点企业
从国内外主要厂商的研究成果比较可以发现，国内公司主要采用非侵入性技术，而国外公司主要采用侵入性技术。
对于非侵入性技术，尽管相对侵入性技术可以容易地获得更高分辨率的信号，但是风险和成本仍然很高。然而，随着人才和资金的涌入，无创脑电图技术必将朝着小型化、便携性、可穿戴性和易用性方向发展。
至于侵入式脑-机接口技术，目前面临着两大问题:人类的排斥反应和从头骨传递的信息的丢失。如果这两个问题能够在未来得到解决，再加上对脑神经元的深入研究，有望实现对人类思维意识的实时准确识别。一方面，它将帮助计算机更好地理解人脑活动的特征，从而引导计算机更好地模仿人脑；另一方面，计算机可以更好地与人合作。
但是，由于目前的技术和市场还处于非常早期的阶段，市场规模还不清楚，真正有竞争力的团队需要有一个复合的背景。团队应至少有十年的脑-机接口技术的研究和积累，在生物医学和工程方面的经验也非常重要，并且有能力将软件和硬件结合起来，以便能够开发基于人体知识和技术的产品。此外，当市场仍处于初始阶段时，企业应该为长期战争做好准备。
四.脑-机接口技术面临的挑战
脑-机接口是一门复杂的交叉学科，面临着理论和工程两方面的挑战。
目前，理论研究正试图解决两个问题:第一，“从大脑到机器”，如何从大脑获得正确的信息？第二，“从机器到大脑”，如何向大脑发送正确的信息？“目前，任何一种脑-机接口技术都需要用户的积极配合，才能读出一定程度的思维活动信息，而思维活动信息的编写更是难上加难。这是因为神经科学中神经编码的具体方式仍然未知。从“机器到大脑”对神经编码知识的需求远远大于从“大脑到机器”的需求。
工程上的困难在于，脑-机接口行业涉及大量学科，如机械动力学、神经科学、认知科学、信息工程等，需要各行各业的大量人才，不能短板。此外，工程中更大的困难还包括成本控制，即能否通过合理的工艺和技术降低成本，实现商业化。
具体而言，BCI面临的挑战包括:
1.通信速度慢
脑-机接口系统需要在获得大脑通信后对其进行处理，然后将其转换成机器语言并被计算机接受。在使用脑-机接口的过程中，经常需要多次刺激和反馈。由于各种原因，脑机接口的通信速度仍然相对较低。目前，基于P300的脑机接口最大信息转换速度为20-25位/分钟，而基于视觉诱发的脑机接口稍高，通信速度仅为60-100位/分钟。这种信息转换效率达不到正常通信的水平。
2.低信号识别精度
目前，人们对大脑中数百亿个神经元的功能和机制还没有足够的了解，脑-机接口技术也限制了对脑信号的正确识别。然而，同时记录更多的神经元更加困难，这也使得脑-机接口对脑信号的识别精度降低。
据资料显示，在基于自发脑电脑机接口系统的运动想象脑电研究中，目前两种思维任务的识别率约为90%，三种任务的识别率约为80%。四种运动的识别率只有70%左右。另外，当控制命令较多时，识别率低的问题使得脑机接口系统在实际应用中受到严重限制。尽管运动想象脑电图信号的上述70-90%的识别率看起来不错，但对于复杂的思维来说，一英寸可能就是一英里。
3.适应性差
在脑电信号采集过程中，存在许多干扰成分，如肌肉信号干扰等。因此，需要解决抗干扰能力强的脑电信号采集设备的设计问题。如何改进信号处理方法，使之系统化、通用化，从而快速、准确、有效地设计出实用的脑机接口系统，也是需要研究的问题。
4.便携性差
目前，大多数脑机接口都是基于个人电脑平台，可移植性差。然而，由于处理器处理速度慢，基于前向的脑-机接口的信息传输速率也较低。
一般来说，目前的脑-机接口技术只能实现一些简单的脑电信号的读取和转换，从而实现对计算机/机器人的简单控制。要实现更复杂、更精细的交互和功能，实现你想要的和你得到的，甚至实现思维和计算机的完美结合，通过“下载”熟练掌握新知识和新技能，还有很长的路要走。
另一个需要注意的问题是，当人类的大脑意识能够被准确读取时，这意味着大脑中丰富的私人数据可能会被泄露或窃取。随着脑-机接口技术的发展，未来无疑需要提供足够的安全措施来保证用户私人数据的安全。正如电影《黑客帝国》中所描述的，未来的侵入式双向互动脑机接口可以给我们带来无限的可能性，但如果没有强有力的保护措施，也有被黑客攻击的风险，这可能是致命的。
像人工智能、基因编辑和合成生物学等其他新兴技术一样，脑-机接口技术有可能给人类和社会带来巨大的利益，同时也可能带来巨大的风险，威胁到人类后代的健康和人类生存的可能性。这会带来一些新的伦理问题。这就决定了“技术第一”或“让我们谈谈我们做了什么”的方法可能不再适用，而应该是“伦理第一”。然而，尽管脑-机接口仍然要面对技术、伦理和商业化的三大障碍，但只要我们有良好的初衷，让无症状或完全瘫痪的患者与他人交流思想，并通过脑-机接口行走，脑-机接口技术带来的未来可能性就一定值得我们期待。
编辑:文婧
校对:林一林
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