近日，美國斯坦福大學研討人員破譯了與手寫書信相關(guān)的大腦活動，并結(jié)合人工智能算法，完成“意念寫字”。這使得癱瘓者只需“腦補”手寫文字，他所想的文本就會實時顯現(xiàn)在屏幕上。雖然經(jīng)過腦機接口（BCI）技能完成意念操控已不是什么新鮮事，但此次讓癱瘓者幻想自己書寫，然后將意念轉(zhuǎn)化為真實的文本，并達到90字符/分鐘的速度和99%的準確度也是非常令人驚喜的。這也讓人們看到了未來運用BCI技能完成高效意念操控和溝通的希望。
BCI技能寫字的核心在編碼解碼
“腦機接口，望文生義，便是大腦與計算機之間的一個接口，經(jīng)過這個接口，大腦可以完成與計算機信息的直接溝通。反之，計算機也可以經(jīng)過這個接口把信息直接加載到腦子里。”天津腦科學中心主任助理、天津大學醫(yī)學工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研討院許敏鵬副教授介紹，在現(xiàn)階段，腦機接口研討主要集中在解讀大腦目的方面，根據(jù)傳感辦法的不同，可分為非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美國斯坦福大學“意念寫字”的研討，是運用了侵入式BCI技能。研討者將兩個細小的傳感器植入癱瘓者大腦操控手和手臂的區(qū)域，每個傳感器都含有96個電極，當癱瘓者幻想寫字時，團隊運用傳感器從單個神經(jīng)元中拾取信號，再經(jīng)過機器學習算法識別出他的大腦隨每個字母發(fā)生的方式。“侵入式BCI需求經(jīng)過外科手術(shù)，將信號檢測電極植入大腦皮層。”許敏鵬表明，侵入式BCI可直接提取神經(jīng)信號，具有較高的信噪比；但存在長期生物相容性等瓶頸問題，且電極周圍微環(huán)境的改變簡單對信號質(zhì)量帶來影響，不利于長期收集。非侵入式BCI則是將電極放置在頭皮部位得到頭皮腦電信號，具有安全無創(chuàng)、優(yōu)良的全腦同步記載等優(yōu)勢，因此現(xiàn)在在教育、醫(yī)療、航天等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)了更加廣泛的應(yīng)用前景。“用非侵入式BCI也能完成‘意念寫字’。”許敏鵬介紹，2021年春節(jié)，天津大學神經(jīng)工程團隊研發(fā)的“哪吒”腦控智臂機器人體系，運用戴在兩位協(xié)作者頭上的“電極帽”捕獲他們的頭皮腦電波，經(jīng)過解碼交融各方的合作目的指令，操控機械臂寫出了一個“福”字。“無論是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念寫字’，背面都是一套復(fù)雜的編碼與解碼過程。”許敏鵬解釋，進行“意念寫字”時，無論英文仍是中文都會在屏幕上呈現(xiàn)一個虛擬的鍵盤，鍵盤中的每個字符都以不同頻率進行編碼。當想拼寫某個字符的時分，只需看著這個字符，不同頻率的字符就會帶來不同的視覺影響，然后誘發(fā)出特定方式的腦電波。腦機接口設(shè)備捕捉到腦電波信號，然后經(jīng)過算法解碼腦電波方式，就能確認看的是哪個字符。斯坦福大學此次研討經(jīng)過“腦補”手寫筆跡，大幅度提高了“意念”書寫的速度，主要是因為科研人員在對腦電信號的解碼方面取得了突破。研討人員破譯了與手寫字母相關(guān)的大腦活動，經(jīng)過每個字母引發(fā)腦電波的高度不同的活動方式，使算法相對簡單地將不同字母區(qū)分開。
運用BCI技能寫字還需排除“雜念”
在電視報導中，咱們經(jīng)常能見到如下的場景，肢體活動受限的人只需盯著電腦屏幕，滾動眼球，便可操控鼠標移動，再經(jīng)過眨眼或長期凝視選定方針，就能寫字、畫畫。比如霍金經(jīng)過一套眼部動作—數(shù)據(jù)信息—語音的轉(zhuǎn)換設(shè)備，最終在語音合成器的協(xié)助下完成發(fā)聲，轉(zhuǎn)換設(shè)備由此輔佐霍金和外界溝通。“眼動追蹤是一種經(jīng)過記載被試者眼睛的位置和運動來盯梢被試者視野落點，并剖析其視覺行為的人機交互技能辦法，即用目光操控機器。看似和BCI進行書寫的技能有點像，其實二者有著本質(zhì)的差異。”許敏鵬解釋，BCI需求檢測大腦的神經(jīng)活動信號并將受試者的目的解析為實踐的操控指令，簡單來說，便是完成用腦電操控機器；而眼動儀主要是對受試者眼睛的運動和位置進行追蹤，并計算出受試者視野落點的位置，以此來判別受試者實踐目的。“眼動儀會受到器材位置的局限性影響，而BCI就不會存在這個問題。但現(xiàn)在腦信息收集仍是需求受試者自動合作，甚至為了準確性需求先進行一定量的訓練。”許敏鵬舉例，如在運用BCI寫福字時，受試者眼睛要盯著屏幕上的視圖書寫板，確認字的筆畫起點和終點，然后連線寫出一筆。如果沒有經(jīng)過訓練，這個字寫出來或許不會很工整。“在實踐應(yīng)用時，大腦很長期都會處于一個非使命狀況。咱們運用BCI體系的時分，抱負的運用狀況是咱們在需求將目的付諸實踐時BCI開關(guān)敞開，而在非使命即無意識的想法狀況時，BCI開關(guān)關(guān)閉（不輸出呼應(yīng)）。”許敏鵬表明，解決這個問題，就需求BCI的一個實用化方式——異步腦機接口。這種BCI便是經(jīng)過對大腦信息的實時收集剖析，分辯想要付諸實踐的目的和無意識的想法，只有當檢測出用戶有想要付諸實踐的目的時才會敞開BCI開關(guān)，這在很大程度上增加了BCI體系的實用性。
BCI技能的應(yīng)用開拓了人機交互新天地
“侵入式BCI具有較高的信噪比和良好的時刻、空間分辯率，馬斯克發(fā)布的‘LINK V0.9’就歸于侵入式BCI技能。”許敏鵬表明，但侵入式BCI需求研發(fā)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的電極陣列，以記載方針神經(jīng)元集群的信號，一起最小化環(huán)境攪擾。另一方面，電極材料、結(jié)構(gòu)等的選擇與規(guī)劃，長期記載電極功能的評價，植入點周圍微環(huán)境的改變等方面因素也是阻止侵入式BCI發(fā)展的難題。比如，在斯坦福大學這項的“意念寫字”研討中，研討人員就憂慮其大腦中植入的電極陣列會由于細小的移動以及疤痕的形成，對讀取神經(jīng)信號的效果有所影響，因此必須要定期從頭校準。一起，體系的“壽數(shù)、安全性和有效性”還有待進一步證明。
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BCI技能寫字的核心在編碼解碼
“腦機接口，望文生義，便是大腦與計算機之間的一個接口，經(jīng)過這個接口，大腦可以完成與計算機信息的直接溝通。反之，計算機也可以經(jīng)過這個接口把信息直接加載到腦子里。”天津腦科學中心主任助理、天津大學醫(yī)學工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研討院許敏鵬副教授介紹，在現(xiàn)階段，腦機接口研討主要集中在解讀大腦目的方面，根據(jù)傳感辦法的不同，可分為非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美國斯坦福大學“意念寫字”的研討，是運用了侵入式BCI技能。研討者將兩個細小的傳感器植入癱瘓者大腦操控手和手臂的區(qū)域，每個傳感器都含有96個電極，當癱瘓者幻想寫字時，團隊運用傳感器從單個神經(jīng)元中拾取信號，再經(jīng)過機器學習算法識別出他的大腦隨每個字母發(fā)生的方式。“侵入式BCI需求經(jīng)過外科手術(shù)，將信號檢測電極植入大腦皮層。”許敏鵬表明，侵入式BCI可直接提取神經(jīng)信號，具有較高的信噪比；但存在長期生物相容性等瓶頸問題，且電極周圍微環(huán)境的改變簡單對信號質(zhì)量帶來影響，不利于長期收集。非侵入式BCI則是將電極放置在頭皮部位得到頭皮腦電信號，具有安全無創(chuàng)、優(yōu)良的全腦同步記載等優(yōu)勢，因此現(xiàn)在在教育、醫(yī)療、航天等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)了更加廣泛的應(yīng)用前景。“用非侵入式BCI也能完成‘意念寫字’。”許敏鵬介紹，2021年春節(jié)，天津大學神經(jīng)工程團隊研發(fā)的“哪吒”腦控智臂機器人體系，運用戴在兩位協(xié)作者頭上的“電極帽”捕獲他們的頭皮腦電波，經(jīng)過解碼交融各方的合作目的指令，操控機械臂寫出了一個“福”字。“無論是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念寫字’，背面都是一套復(fù)雜的編碼與解碼過程。”許敏鵬解釋，進行“意念寫字”時，無論英文仍是中文都會在屏幕上呈現(xiàn)一個虛擬的鍵盤，鍵盤中的每個字符都以不同頻率進行編碼。當想拼寫某個字符的時分，只需看著這個字符，不同頻率的字符就會帶來不同的視覺影響，然后誘發(fā)出特定方式的腦電波。腦機接口設(shè)備捕捉到腦電波信號，然后經(jīng)過算法解碼腦電波方式，就能確認看的是哪個字符。斯坦福大學此次研討經(jīng)過“腦補”手寫筆跡，大幅度提高了“意念”書寫的速度，主要是因為科研人員在對腦電信號的解碼方面取得了突破。研討人員破譯了與手寫字母相關(guān)的大腦活動，經(jīng)過每個字母引發(fā)腦電波的高度不同的活動方式，使算法相對簡單地將不同字母區(qū)分開。
運用BCI技能寫字還需排除“雜念”
在電視報導中，咱們經(jīng)常能見到如下的場景，肢體活動受限的人只需盯著電腦屏幕，滾動眼球，便可操控鼠標移動，再經(jīng)過眨眼或長期凝視選定方針，就能寫字、畫畫。比如霍金經(jīng)過一套眼部動作—數(shù)據(jù)信息—語音的轉(zhuǎn)換設(shè)備，最終在語音合成器的協(xié)助下完成發(fā)聲，轉(zhuǎn)換設(shè)備由此輔佐霍金和外界溝通。“眼動追蹤是一種經(jīng)過記載被試者眼睛的位置和運動來盯梢被試者視野落點，并剖析其視覺行為的人機交互技能辦法，即用目光操控機器。看似和BCI進行書寫的技能有點像，其實二者有著本質(zhì)的差異。”許敏鵬解釋，BCI需求檢測大腦的神經(jīng)活動信號并將受試者的目的解析為實踐的操控指令，簡單來說，便是完成用腦電操控機器；而眼動儀主要是對受試者眼睛的運動和位置進行追蹤，并計算出受試者視野落點的位置，以此來判別受試者實踐目的。“眼動儀會受到器材位置的局限性影響，而BCI就不會存在這個問題。但現(xiàn)在腦信息收集仍是需求受試者自動合作，甚至為了準確性需求先進行一定量的訓練。”許敏鵬舉例，如在運用BCI寫福字時，受試者眼睛要盯著屏幕上的視圖書寫板，確認字的筆畫起點和終點，然后連線寫出一筆。如果沒有經(jīng)過訓練，這個字寫出來或許不會很工整。“在實踐應(yīng)用時，大腦很長期都會處于一個非使命狀況。咱們運用BCI體系的時分，抱負的運用狀況是咱們在需求將目的付諸實踐時BCI開關(guān)敞開，而在非使命即無意識的想法狀況時，BCI開關(guān)關(guān)閉（不輸出呼應(yīng)）。”許敏鵬表明，解決這個問題，就需求BCI的一個實用化方式——異步腦機接口。這種BCI便是經(jīng)過對大腦信息的實時收集剖析，分辯想要付諸實踐的目的和無意識的想法，只有當檢測出用戶有想要付諸實踐的目的時才會敞開BCI開關(guān)，這在很大程度上增加了BCI體系的實用性。
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來源：科技日報
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