作者:奶樹(shù)
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用意念操控?zé)o人機(jī)飛行,讓癱瘓患者重新行走,甚至讓無(wú)法言語(yǔ)的人“開(kāi)口”說(shuō)話——這些曾經(jīng)只存在于科幻小說(shuō)中的場(chǎng)景,正通過(guò)無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface, BCI)技術(shù)一步步走向現(xiàn)實(shí)。
在所有BCI技術(shù)中,無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口因其無(wú)需手術(shù)、安全性高的特點(diǎn),成為了最先進(jìn)入大眾視野并展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力的領(lǐng)域。而無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口的歷史,要從一個(gè)世紀(jì)前那張模糊的腦電圖開(kāi)始,這也是人類追尋如何學(xué)會(huì)“閱讀”大腦的語(yǔ)言的開(kāi)端。
心靈感應(yīng)的執(zhí)念:腦電圖的誕生
無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口的歷史,與一位名叫漢斯·伯格(Hans Berger)的德國(guó)精神科醫(yī)生的故事緊密相連。伯格的科研之路,始于一次驚心動(dòng)魄的經(jīng)歷。
年輕時(shí),他在騎兵部隊(duì)服役,一天在訓(xùn)練中不幸從馬上摔下,險(xiǎn)些被后方的大炮車碾過(guò)。幸免于難的他,當(dāng)晚竟收到了久未聯(lián)系的家人的電報(bào),詢問(wèn)他是否平安。原來(lái),在他遇險(xiǎn)的同一時(shí)刻,遠(yuǎn)方的姐姐心中突然感到一陣強(qiáng)烈的不安,堅(jiān)信弟弟身處險(xiǎn)境。
這次巧合在伯格心中埋下了一顆種子,他開(kāi)始癡迷于“心靈感應(yīng)”的可能性,并猜測(cè)在極端情緒下,大腦或許能發(fā)出某種物理信號(hào)被遠(yuǎn)方的人接收。這個(gè)看似天馬行空的想法,驅(qū)動(dòng)他將余生投入到對(duì)大腦電活動(dòng)的研究中。
漢斯·伯格
在伯格之前,已有科學(xué)家在動(dòng)物大腦上檢測(cè)到了微弱的電信號(hào),并將其稱為“腦電波”。但從未有人成功記錄到來(lái)自人類頭皮的腦電信號(hào),主要原因在于打開(kāi)頭顱檢測(cè)腦電波,在絕大部分人看來(lái)仍然非常危險(xiǎn)且后果難以預(yù)測(cè)。但是隨著研究的進(jìn)行,伯格逐漸發(fā)現(xiàn),和過(guò)去的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不同,其實(shí)我們無(wú)需打開(kāi)顱骨也能捕捉到這種信號(hào)。
在經(jīng)歷了多年坎坷與失敗后,1924年,他終于取得了突破。借助當(dāng)時(shí)西門子最精密的電流計(jì),他將電極貼在自己兒子的頭皮上,成功記錄下了人類歷史上第一張腦電圖(Electroencephalogram, EEG)。
人類歷史上檢測(cè)到的第一份腦電圖(第一行)
伯格發(fā)現(xiàn),這些腦電波并非雜亂無(wú)章,而是呈現(xiàn)出規(guī)律性的節(jié)律。他將人在閉眼放松狀態(tài)下出現(xiàn)的規(guī)律波形命名為α波(Alpha Wave),而當(dāng)人睜開(kāi)眼睛,進(jìn)入專注思考狀態(tài)時(shí),α波會(huì)消失,取而代之的是頻率更快的β波(Beta Wave)。此外,他還發(fā)現(xiàn)了與睡眠狀態(tài)相關(guān)的δ波和θ波。
伯格醫(yī)生與他使用的電流檢測(cè)儀
然而,由于伯格性格內(nèi)斂,且擔(dān)心這個(gè)結(jié)果太過(guò)離奇而不被接受,他將這些開(kāi)創(chuàng)性的數(shù)據(jù)塵封了五年之久,直到1929年才公開(kāi)發(fā)表。
果不其然,學(xué)界最初對(duì)此充滿了懷疑。直到1934年,諾貝爾獎(jiǎng)得主埃德加·阿德里安(Edgar Adrian)成功重復(fù)了他的實(shí)驗(yàn),伯格的發(fā)現(xiàn)才得到主流學(xué)術(shù)界的承認(rèn)。漢斯·伯格發(fā)明的EEG技術(shù),被公認(rèn)為是世界上第一個(gè)腦機(jī)接口,它為無(wú)創(chuàng)地“竊聽(tīng)”大腦活動(dòng)打開(kāi)了一扇大門。
從藝術(shù)到應(yīng)用:BCI概念的萌芽
EEG的出現(xiàn),讓人們第一次能夠?qū)崟r(shí)觀察大腦的“情緒”。最早的腦機(jī)接口應(yīng)用,出人意料地出現(xiàn)在了藝術(shù)領(lǐng)域。
1965年,美國(guó)先鋒派作曲家阿爾文·盧西爾(Alvin Lucier)創(chuàng)作了一部名為《獨(dú)奏者音樂(lè)》(Music for Solo Performer)的作品。表演時(shí),他將EEG電極貼在頭上,系統(tǒng)會(huì)捕捉他大腦產(chǎn)生的α波,并將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)來(lái)敲擊大鼓、鈸等打擊樂(lè)器。表演者需要通過(guò)閉眼來(lái)產(chǎn)生α波,“演奏”音樂(lè)。
這可以說(shuō)是最早的“腦波音樂(lè)”,也是BCI最早的雛形之一。
《獨(dú)奏者音樂(lè)》現(xiàn)場(chǎng)
真正從科學(xué)上提出“腦機(jī)接口”概念的,是法國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家雅克·維達(dá)爾(Jacques J. Vidal)。1973年,他在一篇論文中首次使用了“Brain-Computer Interface”這個(gè)術(shù)語(yǔ),并構(gòu)想了一套完整的系統(tǒng)框架:通過(guò)EEG捕捉大腦的輸出信號(hào),利用計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行解碼,最終實(shí)現(xiàn)讓大腦直接控制光標(biāo)、假肢等外部設(shè)備。他自己也實(shí)現(xiàn)了腦電波控制光標(biāo)的簡(jiǎn)單操作。
維達(dá)爾提出腦機(jī)接口概念時(shí)的設(shè)計(jì)圖
然而,在維達(dá)爾提出概念后的近二十年里,BCI的研究一度陷入沉寂。受限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的處理能力和信號(hào)解碼算法的落后,加之分子生物學(xué)、太空探索等領(lǐng)域吸引了大量科研經(jīng)費(fèi),腦機(jī)接口的發(fā)展進(jìn)程相對(duì)緩慢。
直到八九十年代,相關(guān)的應(yīng)用才開(kāi)始逐漸涌現(xiàn),比如在1988年,有團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第一篇用EEG控制實(shí)體機(jī)器人移動(dòng)的論文,他們利用睜眼和閉眼時(shí)α波的變化來(lái)啟動(dòng)和停止一個(gè)微型機(jī)器人。
意念控制的N種方式:現(xiàn)代無(wú)創(chuàng)BCI范式
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法的飛速發(fā)展,無(wú)創(chuàng)BCI在20世紀(jì)90年代后迎來(lái)了蓬勃發(fā)展期,并衍生出幾種主流的技術(shù)范式。
運(yùn)動(dòng)想象(Motor Imagery)
當(dāng)我們想象自己移動(dòng)左手或右手時(shí),大腦中負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生特定的、可被EEG檢測(cè)到的電信號(hào)擾動(dòng),這被稱為“感覺(jué)運(yùn)動(dòng)節(jié)律”。通過(guò)解碼這些信號(hào),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。
1991年,已有團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出通過(guò)想象手臂揮舞動(dòng)作來(lái)控制電腦光標(biāo)上下的系統(tǒng)。2013年,美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的賀斌教授團(tuán)隊(duì)更是實(shí)現(xiàn)了讓受試者通過(guò)想象握左拳、握右拳或雙手同時(shí)握拳,來(lái)分別控制無(wú)人機(jī)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或上升。
控制無(wú)人機(jī)時(shí)左右手握拳檢測(cè)到的腦電信號(hào)
這一技術(shù)最激動(dòng)人心的應(yīng)用,莫過(guò)于2014年巴西世界杯的開(kāi)幕式。一位下身癱瘓的青年,身穿一套外骨骼機(jī)器人,頭戴EEG腦電帽,通過(guò)“想象”踢球的動(dòng)作,成功開(kāi)出了比賽的第一球。
2014年巴西世界杯開(kāi)賽時(shí)的第一球
穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)
這是利用視覺(jué)皮層對(duì)特定頻率閃爍光的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),屏幕上可以設(shè)置多個(gè)閃爍的按鈕,每個(gè)按鈕的閃爍頻率都不同(如6Hz, 7Hz, 8Hz)。當(dāng)你的眼睛注視其中一個(gè)按鈕時(shí),你的大腦視覺(jué)皮層就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與該按鈕閃爍頻率相同的腦電信號(hào)。
穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位原理圖
計(jì)算機(jī)通過(guò)識(shí)別這個(gè)特定的頻率,就能判斷出你想按哪個(gè)按鈕。 我國(guó)清華大學(xué)的高小榕教授團(tuán)隊(duì)是該領(lǐng)域的全球領(lǐng)先者。他們?cè)鵀橐晃坏昧藵u凍癥、只有眼睛可以移動(dòng)的患者定制了一套這樣的系統(tǒng),讓他可以正常說(shuō)話。
P300電位
當(dāng)你在眾多信息中,突然看到一個(gè)你正在期待或覺(jué)得新奇的目標(biāo)時(shí),你的大腦會(huì)在大約300毫秒后產(chǎn)生一個(gè)被稱為“P300”的特殊腦電信號(hào)。1988年,美國(guó)科學(xué)家伊曼紐爾·唐欽(Emanuel Donchin)利用這一原理發(fā)明了“P300拼寫器”。
霍金專屬的P300拼寫器
在一個(gè)由字母和數(shù)字組成的矩陣中,各行各列會(huì)隨機(jī)快速閃爍。使用者只需盯住自己想輸入的那個(gè)字母,當(dāng)該字母所在的行或列閃爍時(shí),大腦就會(huì)產(chǎn)生P300信號(hào),系統(tǒng)捕捉到這個(gè)信號(hào)后,就能確定用戶想要選擇的字母。這套系統(tǒng)也曾被嘗試用于為斯蒂芬·霍金開(kāi)發(fā)新的交流工具。
機(jī)遇與瓶頸:無(wú)創(chuàng)BCI的未來(lái)之路
無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口的最大優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn):安全、便捷、接受度高。它不需要進(jìn)行任何外科手術(shù),只需佩戴一個(gè)類似頭盔的設(shè)備即可,這使其在商業(yè)化和普及方面具有巨大潛力,而中國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展已處于世界前列。
然而,它的缺點(diǎn)也同樣突出。由于顱骨和頭皮的阻隔,EEG信號(hào)非常微弱,且空間分辨率低,我們只能獲得一個(gè)模糊、概括的大腦活動(dòng)信息。這就好比隔著體育場(chǎng)聽(tīng)里面的歡呼聲,我們能判斷出比賽的激烈程度,卻無(wú)法聽(tīng)清每個(gè)觀眾在喊什么。因此,無(wú)創(chuàng)BCI能傳遞的信息帶寬有限,控制的精細(xì)度和直觀性也較差,往往需要使用者進(jìn)行大量的訓(xùn)練來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)。
未來(lái),人工智能和先進(jìn)的解碼算法有望進(jìn)一步提升無(wú)創(chuàng)BCI的性能,從有限的信號(hào)中挖掘出更豐富的信息。但要實(shí)現(xiàn)真正科幻級(jí)別的、復(fù)雜而靈活的“心靈控制”,我們或許還需要深入大腦內(nèi)部,聆聽(tīng)神經(jīng)元之間更直接的對(duì)話。這,便是我們下一期,侵入式腦機(jī)接口將要講述的故事。
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