近日，美国斯坦福大学研讨人员破译了与手写书信相关的大脑活动，并结合人工智能算法，完成“意念写字”。这使得瘫痪者只需“脑补”手写文字，他所想的文本就会实时显现在屏幕上。虽然经过脑机接口（BCI）技能完成意念操控已不是什么新鲜事，但此次让瘫痪者幻想自己书写，然后将意念转化为真实的文本，并达到90字符/分钟的速度和99%的准确度也是非常令人惊喜的。这也让人们看到了未来运用BCI技能完成高效意念操控和沟通的希望。
BCI技能写字的核心在编码解码
“脑机接口，望文生义，便是大脑与计算机之间的一个接口，经过这个接口，大脑可以完成与计算机信息的直接沟通。反之，计算机也可以经过这个接口把信息直接加载到脑子里。”天津脑科学中心主任助理、天津大学医学工程与转化医学研讨院许敏鹏副教授介绍，在现阶段，脑机接口研讨主要集中在解读大脑目的方面，根据传感办法的不同，可分为非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美国斯坦福大学“意念写字”的研讨，是运用了侵入式BCI技能。研讨者将两个细小的传感器植入瘫痪者大脑操控手和手臂的区域，每个传感器都含有96个电极，当瘫痪者幻想写字时，团队运用传感器从单个神经元中拾取信号，再经过机器学习算法识别出他的大脑随每个字母发生的方式。“侵入式BCI需求经过外科手术，将信号检测电极植入大脑皮层。”许敏鹏表明，侵入式BCI可直接提取神经信号，具有较高的信噪比；但存在长期生物相容性等瓶颈问题，且电极周围微环境的改变简单对信号质量带来影响，不利于长期收集。非侵入式BCI则是将电极放置在头皮部位得到头皮脑电信号，具有安全无创、优良的全脑同步记载等优势，因此现在在教育、医疗、航天等众多领域显现了更加广泛的应用前景。“用非侵入式BCI也能完成‘意念写字’。”许敏鹏介绍，2021年春节，天津大学神经工程团队研发的“哪吒”脑控智臂机器人体系，运用戴在两位协作者头上的“电极帽”捕获他们的头皮脑电波，经过解码交融各方的合作目的指令，操控机械臂写出了一个“福”字。“无论是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念写字’，背面都是一套复杂的编码与解码过程。”许敏鹏解释，进行“意念写字”时，无论英文仍是中文都会在屏幕上呈现一个虚拟的键盘，键盘中的每个字符都以不同频率进行编码。当想拼写某个字符的时分，只需看着这个字符，不同频率的字符就会带来不同的视觉影响，然后诱发出特定方式的脑电波。脑机接口设备捕捉到脑电波信号，然后经过算法解码脑电波方式，就能确认看的是哪个字符。斯坦福大学此次研讨经过“脑补”手写笔迹，大幅度提高了“意念”书写的速度，主要是因为科研人员在对脑电信号的解码方面取得了突破。研讨人员破译了与手写字母相关的大脑活动，经过每个字母引发脑电波的高度不同的活动方式，使算法相对简单地将不同字母区分开。
运用BCI技能写字还需排除“杂念”
在电视报导中，咱们经常能见到如下的场景，肢体活动受限的人只需盯着电脑屏幕，滚动眼球，便可操控鼠标移动，再经过眨眼或长期凝视选定方针，就能写字、画画。比如霍金经过一套眼部动作—数据信息—语音的转换设备，最终在语音合成器的协助下完成发声，转换设备由此辅佐霍金和外界沟通。“眼动追踪是一种经过记载被试者眼睛的位置和运动来盯梢被试者视野落点，并剖析其视觉行为的人机交互技能办法，即用目光操控机器。看似和BCI进行书写的技能有点像，其实二者有着本质的差异。”许敏鹏解释，BCI需求检测大脑的神经活动信号并将受试者的目的解析为实践的操控指令，简单来说，便是完成用脑电操控机器；而眼动仪主要是对受试者眼睛的运动和位置进行追踪，并计算出受试者视野落点的位置，以此来判别受试者实践目的。“眼动仪会受到器材位置的局限性影响，而BCI就不会存在这个问题。但现在脑信息收集仍是需求受试者自动合作，甚至为了准确性需求先进行一定量的训练。”许敏鹏举例，如在运用BCI写福字时，受试者眼睛要盯着屏幕上的视图书写板，确认字的笔画起点和终点，然后连线写出一笔。如果没有经过训练，这个字写出来或许不会很工整。“在实践应用时，大脑很长期都会处于一个非使命状况。咱们运用BCI体系的时分，抱负的运用状况是咱们在需求将目的付诸实践时BCI开关敞开，而在非使命即无意识的想法状况时，BCI开关关闭（不输出呼应）。”许敏鹏表明，解决这个问题，就需求BCI的一个实用化方式——异步脑机接口。这种BCI便是经过对大脑信息的实时收集剖析，分辩想要付诸实践的目的和无意识的想法，只有当检测出用户有想要付诸实践的目的时才会敞开BCI开关，这在很大程度上增加了BCI体系的实用性。
BCI技能的应用开拓了人机交互新天地
“侵入式BCI具有较高的信噪比和良好的时刻、空间分辩率，马斯克发布的‘LINK V0.9’就归于侵入式BCI技能。”许敏鹏表明，但侵入式BCI需求研发具有高灵敏度和高稳定性的电极阵列，以记载方针神经元集群的信号，一起最小化环境搅扰。另一方面，电极材料、结构等的选择与规划，长期记载电极功能的评价，植入点周围微环境的改变等方面因素也是阻止侵入式BCI发展的难题。比如，在斯坦福大学这项的“意念写字”研讨中，研讨人员就忧虑其大脑中植入的电极阵列会由于细小的移动以及疤痕的形成，对读取神经信号的效果有所影响，因此必须要定期从头校准。一起，体系的“寿数、安全性和有效性”还有待进一步证明。
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BCI技能写字的核心在编码解码
“脑机接口，望文生义，便是大脑与计算机之间的一个接口，经过这个接口，大脑可以完成与计算机信息的直接沟通。反之，计算机也可以经过这个接口把信息直接加载到脑子里。”天津脑科学中心主任助理、天津大学医学工程与转化医学研讨院许敏鹏副教授介绍，在现阶段，脑机接口研讨主要集中在解读大脑目的方面，根据传感办法的不同，可分为非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美国斯坦福大学“意念写字”的研讨，是运用了侵入式BCI技能。研讨者将两个细小的传感器植入瘫痪者大脑操控手和手臂的区域，每个传感器都含有96个电极，当瘫痪者幻想写字时，团队运用传感器从单个神经元中拾取信号，再经过机器学习算法识别出他的大脑随每个字母发生的方式。“侵入式BCI需求经过外科手术，将信号检测电极植入大脑皮层。”许敏鹏表明，侵入式BCI可直接提取神经信号，具有较高的信噪比；但存在长期生物相容性等瓶颈问题，且电极周围微环境的改变简单对信号质量带来影响，不利于长期收集。非侵入式BCI则是将电极放置在头皮部位得到头皮脑电信号，具有安全无创、优良的全脑同步记载等优势，因此现在在教育、医疗、航天等众多领域显现了更加广泛的应用前景。“用非侵入式BCI也能完成‘意念写字’。”许敏鹏介绍，2021年春节，天津大学神经工程团队研发的“哪吒”脑控智臂机器人体系，运用戴在两位协作者头上的“电极帽”捕获他们的头皮脑电波，经过解码交融各方的合作目的指令，操控机械臂写出了一个“福”字。“无论是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念写字’，背面都是一套复杂的编码与解码过程。”许敏鹏解释，进行“意念写字”时，无论英文仍是中文都会在屏幕上呈现一个虚拟的键盘，键盘中的每个字符都以不同频率进行编码。当想拼写某个字符的时分，只需看着这个字符，不同频率的字符就会带来不同的视觉影响，然后诱发出特定方式的脑电波。脑机接口设备捕捉到脑电波信号，然后经过算法解码脑电波方式，就能确认看的是哪个字符。斯坦福大学此次研讨经过“脑补”手写笔迹，大幅度提高了“意念”书写的速度，主要是因为科研人员在对脑电信号的解码方面取得了突破。研讨人员破译了与手写字母相关的大脑活动，经过每个字母引发脑电波的高度不同的活动方式，使算法相对简单地将不同字母区分开。
运用BCI技能写字还需排除“杂念”
在电视报导中，咱们经常能见到如下的场景，肢体活动受限的人只需盯着电脑屏幕，滚动眼球，便可操控鼠标移动，再经过眨眼或长期凝视选定方针，就能写字、画画。比如霍金经过一套眼部动作—数据信息—语音的转换设备，最终在语音合成器的协助下完成发声，转换设备由此辅佐霍金和外界沟通。“眼动追踪是一种经过记载被试者眼睛的位置和运动来盯梢被试者视野落点，并剖析其视觉行为的人机交互技能办法，即用目光操控机器。看似和BCI进行书写的技能有点像，其实二者有着本质的差异。”许敏鹏解释，BCI需求检测大脑的神经活动信号并将受试者的目的解析为实践的操控指令，简单来说，便是完成用脑电操控机器；而眼动仪主要是对受试者眼睛的运动和位置进行追踪，并计算出受试者视野落点的位置，以此来判别受试者实践目的。“眼动仪会受到器材位置的局限性影响，而BCI就不会存在这个问题。但现在脑信息收集仍是需求受试者自动合作，甚至为了准确性需求先进行一定量的训练。”许敏鹏举例，如在运用BCI写福字时，受试者眼睛要盯着屏幕上的视图书写板，确认字的笔画起点和终点，然后连线写出一笔。如果没有经过训练，这个字写出来或许不会很工整。“在实践应用时，大脑很长期都会处于一个非使命状况。咱们运用BCI体系的时分，抱负的运用状况是咱们在需求将目的付诸实践时BCI开关敞开，而在非使命即无意识的想法状况时，BCI开关关闭（不输出呼应）。”许敏鹏表明，解决这个问题，就需求BCI的一个实用化方式——异步脑机接口。这种BCI便是经过对大脑信息的实时收集剖析，分辩想要付诸实践的目的和无意识的想法，只有当检测出用户有想要付诸实践的目的时才会敞开BCI开关，这在很大程度上增加了BCI体系的实用性。
BCI技能的应用开拓了人机交互新天地
“侵入式BCI具有较高的信噪比和良好的时刻、空间分辩率，马斯克发布的‘LINK V0.9’就归于侵入式BCI技能。”许敏鹏表明，但侵入式BCI需求研发具有高灵敏度和高稳定性的电极阵列，以记载方针神经元集群的信号，一起最小化环境搅扰。另一方面，电极材料、结构等的选择与规划，长期记载电极功能的评价，植入点周围微环境的改变等方面因素也是阻止侵入式BCI发展的难题。比如，在斯坦福大学这项的“意念写字”研讨中，研讨人员就忧虑其大脑中植入的电极阵列会由于细小的移动以及疤痕的形成，对读取神经信号的效果有所影响，因此必须要定期从头校准。一起，体系的“寿数、安全性和有效性”还有待进一步证明。
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来源：科技日报
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