脑机接口：挑战在于非侵入地准确读取脑内信号，又如何传回脑内
最后更新：2020-05-20 11:49:06 手机定位技术交流文章
关键是如何形成一个“闭环”，这是每个人一直在做的。然而，无论是神经假体还是机器人，建立闭环的先决条件是具有传感器、刺激器和马达，以实现感测能力的同时输入和运动信号的输出。然而，这一过程非常复杂，仍有许多问题需要解决。”
李金星是斯坦福大学的博士后研究员，目前主要研究微纳机器人和柔性电子设备。通过对神经假体的研究，李博士“基于自己有限的认识”，从科技难点、发展现状和未来预测三个角度揭示了一个属于脑-机接口技术进步的真实世界。
“对于整个领域来说，每个特定功能的实现都面临着挑战，但总的来说，最具挑战性的任务是如何使用不需要手术的非侵入式植入设备来读取大脑中的精确信号，以及如何将信号准确地传输到大脑。”李博士认为。"毕竟，没有人愿意轻易做开颅手术."
在谈到相关技术的未来发展时，李博士也给出了自己的判断:“如果非侵入式设备的设备要达到侵入式设备的水平，可能需要10年左右的时间才能开发出来，而这只能读取人脑的部分脑活动。如果你想收集和读取所有信号，可能需要20年甚至更长时间。当然，像植入式视网膜这样的设备，不需要开颅手术，可以对特定部位进行功能调整，在未来五年可能会有较大的进步。”李博士说。
“但大前提是仍然没有革命性的技术。甚至埃隆·马斯克也没能登上珠穆朗玛峰，这是脑-机接口的技术问题。”
李金星博士也是麻省理工学院科技评论第19届35岁以下创新者评选的8名中国人之一，即2019年全球“35岁以下科技创新者”。
前景是巨大的，技术挑战仍然存在。
“科学家给一个人做了手术。他的大脑被从他的身体上切下来，放进一个装有营养液的罐子里，以维持大脑的存活。大脑的神经末梢与电脑相连，电脑根据程序向大脑发送信息，这样他就能保持所有幻觉完全正常。对他来说，人、物体和天空似乎仍然存在，他自己的运动和身体感觉可以输入。大脑也可以被输入或截取(脑部手术的记忆被截取，然后输入他可能经历的各种环境和日常生活)。他甚至可以输入代码，并“感觉”自己正在阅读一篇有趣而荒谬的文章。
-“大脑是一个大桶”，希拉里·普特南，“理性、真理和历史”(理性、真理和历史)
哲学家们提出了“缸中之脑”的思想实验来探索人类的终极问题，类似的场景在大众媒体如好莱坞大片中频频出现。在电影《源代码》中，男性宿主的大脑皮层植入了刺激装置。在信号模拟构建的虚拟环境中，寻找火车炸弹客的任务一次又一次地被执行。
照片:电影《源代码》的剧照(来源:IMDB)
科幻作品中的“黑色技术”在现实中也有自己的名字——大脑——计算机界面(BCI)。脑机接口通过对人类思维活动过程中脑神经活动信息的解码，构建了大脑与外界之间的直接信息传递路径，在神经修复、神经反馈训练、脑状态监测等领域具有广阔的应用前景。
早在1969年，甚至在个人电脑诞生之前，华盛顿大学的一位神经科学家就成功地将恒河猴的大脑与机器连接起来，让恒河猴通过特定的大脑活动直接打开仓库门，获得它们想要的食物。
从那以后，脑-机接口研究聚集了工程、心理学、计算机科学和神经生物学领域最杰出的科学家。将近50年后的2017年，特斯拉创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)公开表示，他的Neuralink公司将在未来几年实现脑机接口的商业应用。
在过去的十年中，复杂和先进的算法和系统的发展使得开发真正的脑机接口成为可能，而检测脑信号的方法的改进正在创造更高质量和更详细的数据。在人工智能和机器学习的支持下，更先进的分析和处理能力将有助于更好地解释信号。与此同时，其他技术的改进将使大脑数据更准确地转化为行动。这影响了几个领域的脑-机接口，包括与人类健康密切相关的用于恢复听觉或视觉的神经假体。
麦肯锡的“生物革命报告”研究表明，在未来10到20年，脑-机接口产业将直接在全球范围内产生每年700到2000亿美元的经济规模。
神经功能修复将人类神经系统与计算机连接起来，通过控制假肢来恢复失去的感觉功能。其中，人工耳蜗植入设备的发展相对成熟，并从20世纪80年代后期开始使用。同时，上述技术也在不断改进，包括更复杂的听觉信号处理和分析，以提高识别声音和语言的能力。
在过去的20年里，仿生视觉取得了巨大的进步。例如，第二视力公司开发了一种叫做Argus II的视网膜植入物，它恢复了病人的感知功能，包括形状辨别、光感知，在某些情况下，病人甚至可以获得阅读书籍和其他印刷材料的能力。该技术已被欧盟和美国食品及药物管理局批准，并已广泛应用于临床实践。
对于因神经系统损伤而失去四肢或四肢完好但失去控制的患者，用于运动控制的神经假体已经取得了很大进展。现在，研究人员正在开发神经假体，以接收植入患者大脑的芯片发出的信号。此外，正在开发先进的运动控制神经假体，其可以将假体的信息直接输入到大脑中以产生触觉，从而更好地控制运动。
(来源:麦肯锡生物革命报告)
尽管最先进的脑-机接口技术在医疗保健领域得到了广泛应用，但研究表明，其许多应用方向在未来十年仍不太可能商业化。
出现上述情况的根本原因是脑-机接口技术面临的挑战尚未解决。
"对于整个领域来说，每个具体功能的实现都面临着挑战."
BCI =“大脑”+“机器”+“接口”的定义。这是一个连接大脑和外部设备的实时通讯系统。BCI系统可以直接将大脑发出的信息转换成能够驱动外部设备的指令，取代人类的肢体或语言器官，实现人类与外界的交流，控制外部环境。换句话说，BCI系统可以取代正常的周围神经和肌肉组织，实现人与计算机或人与外界环境的交流。可以看出，“将大脑的信息直接转换成能够驱动外部设备的指令”是脑-机接口系统的焦点。
以神经假体为例，了解人脑如何控制肢体运动是研究的基础。李金星说，人脑的运动皮层是启动运动行为的总部，将运动皮层的神经信号转换成电信号，并控制肌肉运动是神经假体的工作原理。其中，发出的神经信号是脉冲信号，但肌肉力量的大小是振幅信号。关键是如何读取“脉冲信号”，并通过算法将其转换成准确的“幅度信号”。如果要制造人工神经来控制肌肉运动，就需要读出来自运动皮层的信号，转换成不同大小的电信号来精确刺激每块肌肉，并且需要根据实际环境来调整动作，以便产生可控的运动行为
上述步骤分为四个模块:信息收集、信息分析、重新编码和反馈。每个部分都有自己的研发难点。
就信息收集而言，从目前的研究水平来看，在评估某个信息收集方法的优缺点时，需要考虑三个标准:规模-可以记录多少个神经元；分辨率-工具接收的细节级别。这里提到的分辨率可以分为两种类型:介于空(是否可以详细记录单个神经元的触发)和时间分辨率(是否可以确定记录的活动的确切发生时间)之间的分辨率。
然而，信息收集的流量和准确性与设备的植入模式正相关，植入模式可分为侵入式和非侵入式。两者都有各自的优势和问题。
非侵入性是指仅通过佩戴附在头皮上的设备来记录和解释大脑信息，而不侵入大脑。尽管这种技术避免了昂贵而危险的操作，但由于颅骨对大脑信号的衰减效应，以及神经元发出的电信号的分散和模糊效应，记录的信号强度和分辨率都不高，因此很难确定发出信号的大脑区域或相关的单个神经元的活动李博士说。
上述问题的出现是因为神经电位在传递过程中受到许多因素的影响。“机器首先必须能够听到大脑的声音，这是脑机接口发展的最大障碍。大脑“说话”的方式非常独特。它通过在不同的时间点激活不同的大脑区域来表达不同的意图。同时，在采集脑信号的过程中，会受到不同程度的干扰，从而降低脑电信号的清晰度。为了克服这些问题，最好的方法是通过神经外科手术将脑电图设备直接植入大脑，这被称为侵入式脑-机接口
侵入式方法可以通过手术等方法将电极直接植入大脑皮层，从而获得高质量的神经信号，但也面临风险。“首先，侵入性手术通常伴随着开颅手术，这既危险又昂贵。由于异物的侵入，可能引发免疫反应，导致电极信号质量恶化甚至消失。”
信息收集只是解决问题过程的开始，信息分析和重新编码是第二个困难。
“在收集到足够的信息后，信号必须被解码和重新编码以应对干扰，而与大脑直接相关的输入和输出信号的读取和解码是最困难的。”李博士说，人脑中神经信号的作用方式非常复杂，由于大脑功能的复杂性和人类对大脑认知的局限性，目前只能部分识别脑电信号，实现大脑的某些功能。"我认为在不打开我的思维的情况下阅读和解码所有信息是不可能的任务。"
谈到反馈，李博士说，将获得的环境反馈信息应用到大脑也非常复杂。人类通过感知感受环境，并将其传递给大脑以获得反馈。感知包括视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉等等。事实上，BCI意识到这一步非常复杂，包括多模态感知的混合分析，因为反馈到大脑的过程可能不兼容。
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