腦機(jī)接口作為一項新奇的技術(shù)，正以驚人的速度向前發(fā)展、更新迭代。它將人類的思想和機(jī)器交織在了一起，開辟了一種全新的可能。

(資料圖片)

本期訪談由陳光博士主持，他同時也是AI領(lǐng)域的知名博主@愛可可-愛生活，嘉賓為上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的助理教授李廣曄博士。

本文通過追問形式呈現(xiàn)會議中的精彩內(nèi)容，希望能給讀者一些啟發(fā)和思考。

用3個問題快速了解“腦機(jī)接口”

@陳光

什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口是如何運作的？

@李廣曄

在媒體上，腦機(jī)接口是近幾年比較熱門的話題。但從實驗室層面，相關(guān)研究從幾十年前就已經(jīng)開始了。腦機(jī)接口（Brain Computer Interface或Brain Machine Interface）實際上就是獲取大腦的神經(jīng)信號，通過特定的數(shù)學(xué)模型對腦電信號進(jìn)行解碼來理解大腦的意圖，再將這種意圖轉(zhuǎn)化成機(jī)器控制指令，實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互。例如，被試通過腦機(jī)接口打字和控制光標(biāo)、機(jī)械臂運動。

@陳光

這種大腦意識和信號之間的關(guān)聯(lián)是有明顯的對應(yīng)關(guān)系，還是需要通過努力想象才能體現(xiàn)出一個強(qiáng)的腦電特征信號呢？

@李廣曄

腦電信號實際上是一個很微弱的信號，以控制機(jī)械臂為例，盡量努力控制自己手臂運動的動作信號可能會更強(qiáng)一些，但目前也有一些研究是基于運動想象，而不是盡量努力地讓身體輸出運動控制相關(guān)的信號來設(shè)計腦機(jī)接口范式。

@陳光

這么說，意念和思想往往是更復(fù)雜、混沌的一種信號，所以腦機(jī)接口的解碼不是執(zhí)行一個生成式的任務(wù)，而是執(zhí)行一個選擇分類的任務(wù)（例如我想選擇向左、向右運動）？

@李廣曄

是的，這種信號相對來說也是比較清晰的。從技術(shù)層面上，提取迅速變化的大腦意圖目前還是比較困難的。

腦機(jī)接口的前世今生

@陳光

追問溯源，最早時期腦機(jī)接口的發(fā)展是怎樣的？人們第一次想做這類嘗試時大概是怎樣一種情況？得到了怎樣的結(jié)果？

@李廣曄

腦電信號最早可以追溯到1929年，德國的一位精神科醫(yī)生首先在人類大腦頭皮表面記錄到了腦電信號。1969年，真正出現(xiàn)了一個比較具有代表性的腦機(jī)接口研究，美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）的Fetz在猴子大腦運動區(qū)植入電極，將電極與儀表盤連接，通過對猴子上采集到的大腦信號分析解碼，如果猴子控制儀表盤指針達(dá)到目標(biāo)區(qū)域，就給猴子一個獎勵，這個實驗相對來說是腦機(jī)接口上的第一次嘗試。在這個過程中，猴子也學(xué)會了通過自己的腦電信號控制儀表盤來獲取獎勵，這只猴子從某種意義上也是腦機(jī)接口的第一個被試。最早在1982年，出現(xiàn)了第一個運動控制腦機(jī)接口的工作。研究人員在猴子大腦皮層運動區(qū)植入電極，發(fā)現(xiàn)當(dāng)猴子做不同方向的伸手運動時，記錄到的神經(jīng)元放電模式是不同的。研究人員則可以基于這種不同的神經(jīng)編碼模式，去反向解碼猴子在做什么運動。

@陳光

這些早期的實驗為腦機(jī)接口帶來了突破性的進(jìn)展，雖然實驗范式比較原始，卻也為后來的研究人員提供了很多啟發(fā)，奠定了堅實的基礎(chǔ)。那么，在早期的研究階段，人們面臨哪些困難與挑戰(zhàn)？

@李廣曄

早期最主要的挑戰(zhàn)是對大腦神經(jīng)機(jī)制不夠清楚，以及后來逐漸發(fā)現(xiàn)了一些對應(yīng)的現(xiàn)象，卻不清楚該如何運用這些知識。由于當(dāng)時硬件條件的限制，早期在電極類型、采集通道、采樣頻率上都有較多的困難。并且由于早期計算機(jī)技術(shù)不太先進(jìn)，當(dāng)時在采集過程中信號流失或延遲也比較嚴(yán)重，解碼算法也相對局限。

@陳光

信號采集設(shè)備和技術(shù)、信號解碼、排除噪聲干擾，這些問題到今天依然是開展腦機(jī)接口研究的挑戰(zhàn)。隨著時間推移，新一代的技術(shù)給腦機(jī)接口研究帶來了怎樣的推動作用？

@李廣曄

首先，我認(rèn)為腦機(jī)接口技術(shù)的演化非常依賴于信號采集技術(shù)的發(fā)展。早期的腦機(jī)接口采用的是非侵入式的方法（例如在頭皮表面貼電極），后來出現(xiàn)了更好分辨率和更高靈敏度傳感器，使獲得的信號質(zhì)量得到了改善，讓前端可以得到更豐富的信息。后來也逐漸發(fā)展了侵入式電極，這些電極距離神經(jīng)元更近，可以獲取到更加清晰的神經(jīng)信號。并且逐漸出現(xiàn)了更高通道的電極，甚至可以達(dá)到上千通道，可以獲得更大空間范圍的腦電信息。信號采集技術(shù)的發(fā)展和腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展是息息相關(guān)的。

然后是信號處理和解碼算法的發(fā)展。也就是我們拿到信號數(shù)據(jù)，該怎么去解釋這些數(shù)據(jù)。在過去，可能采用的是一些簡單的線性方法，隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，濾波方法、特征提取、深度學(xué)習(xí)算法的發(fā)展有效地提高了腦機(jī)接口的性能和準(zhǔn)確性。接著就是應(yīng)用拓展方面，以前的研究更多在實驗室層面，目前逐漸在臨床或者人工智能領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如腦卒中的康復(fù)，帕金森病、兒童多動癥、睡眠障礙的監(jiān)測與干預(yù)。

最后就是可穿戴性方面。早期的腦機(jī)接口設(shè)備比較笨重，現(xiàn)在逐漸往更便攜甚至無線的可穿戴設(shè)備發(fā)展?？偟膩碚f，腦機(jī)接口就是在信號采集技術(shù)、信號處理和解碼方法、應(yīng)用拓展和可穿戴性這幾個方面上逐漸地不斷發(fā)展進(jìn)步。

@陳光

在技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域存在一種說法叫“飛輪效應(yīng)”。如李老師剛才介紹的，腦機(jī)接口在信號獲取、處理、應(yīng)用等方面得到了不斷的發(fā)展，并且在各個技術(shù)層面形成了正反饋，即每一環(huán)都會促進(jìn)其他各個環(huán)節(jié)的大幅提升，也給其他環(huán)節(jié)創(chuàng)造了需求。那么，目前腦機(jī)接口領(lǐng)域是否進(jìn)入了一個準(zhǔn)快速發(fā)展的“飛輪時期”？

@李廣曄

近幾年，諸如馬斯克的Neuralink這類美國科技公司的發(fā)展，對于腦機(jī)接口帶來了很大的宣傳效果，其公司的設(shè)備在領(lǐng)域內(nèi)也是非常具有創(chuàng)新性的。并且近幾年，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界合作緊密，也使得腦機(jī)接口領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

@陳光

近幾年，人工智能的技術(shù)在腦機(jī)接口中扮演著怎樣的一個角色？為這個領(lǐng)域做了怎樣的貢獻(xiàn)？

@李廣曄

目前機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)之類的算法在腦機(jī)接口中主要應(yīng)用在以下兩個方面：

1、腦電信號處理上，腦電信號通常具有高維度性、復(fù)雜性，目前很多深度學(xué)習(xí)算法雖然是一個“黑箱子”模型，但相比之前手動提取特征，提取原始信號特征的效果很好，可以提高腦機(jī)接口的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速性。

2、改善人機(jī)交互和用戶體驗。比如一些自然語言處理、計算機(jī)視覺或者情感識別之類的技術(shù)融合到腦機(jī)接口系統(tǒng)中，這樣計算機(jī)可以更好地理解用戶的意圖和情感，大幅度提升用戶體驗。

@陳光

剛剛我們討論了最早期腦機(jī)接口發(fā)展歷程中的一些實驗范式，那后續(xù)的發(fā)展演變中還有哪些里程碑式的節(jié)點？

@李廣曄

剛剛我們談到了1929年和1969年的兩個腦機(jī)接口的代表性研究成果，之后的一些里程碑式成果如下圖所示。

?圖片由李廣曄博士提供

@陳光

可以看到，從動物到人，再逐漸到人實驗上的精細(xì)化控制，以及信號維度上的提高、多模態(tài)感覺信號的融合上，這些節(jié)點都給我們帶來了不少的驚喜。并且越往后，這些節(jié)點發(fā)生的節(jié)奏是逐漸加快的。

展望：腦機(jī)接口離我們有多遠(yuǎn)？

@陳光

腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的知識是否已經(jīng)融合到人工智能等其他領(lǐng)域上，目前對于腦科學(xué)的理解和我們對于腦機(jī)接口技術(shù)、功能的進(jìn)步有怎樣的聯(lián)系？將來有什么趨勢？

@李廣曄

腦機(jī)接口屬于一個高度交叉的學(xué)科和技術(shù)，實際上我們對大腦信號的理解是腦機(jī)接口的基礎(chǔ)。信號采集技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了腦科學(xué)的進(jìn)步，而腦科學(xué)的進(jìn)步反過來又促進(jìn)了腦機(jī)接口的發(fā)展。神經(jīng)科學(xué)的探究可以幫助我們更好地了解大腦的工作原理。比如過去我們只采集運動區(qū)的信號來做運動控制系統(tǒng)，后來發(fā)現(xiàn)前額葉、頂葉等其他腦區(qū)也在運動過程中發(fā)揮作用?；谶@些腦科學(xué)的知識，將來我們可以考慮構(gòu)建多腦區(qū)的聯(lián)合采集腦機(jī)接口系統(tǒng)。

@陳光

近幾年腦機(jī)接口技術(shù)的突破性發(fā)展有哪些？對于未來有什么影響？

@李廣曄

第一個方面，我認(rèn)為近幾年領(lǐng)域內(nèi)的突破主要體現(xiàn)在更大空間范圍和更高時間分辨率腦神經(jīng)信號的采集。信號的質(zhì)量是后續(xù)分析的基礎(chǔ)和保障。隨著這些更高維度的神經(jīng)信息采集，我們可以做一些連續(xù)性、更加精細(xì)或更多自由度的運動控制腦機(jī)接口系統(tǒng)，將運動控制從離散轉(zhuǎn)變成更連續(xù)、更自由的控制。

第二個方面就是長期信號穩(wěn)定采集上的進(jìn)展。芯片植入系統(tǒng)需要考慮生物兼容性問題，如何避免長期植入引發(fā)的炎癥反應(yīng)對信號衰減的影響是一個關(guān)鍵問題。目前隨著新型電極材料的發(fā)展，在長期使用上帶來了很大的突破。第三個方面，自適應(yīng)和閉環(huán)控制上近幾年也得到了很大的突破。

@陳光

這些硬件和可穿戴性設(shè)備的突破，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有什么比較大的進(jìn)展，未來在哪些方面可能具有哪些進(jìn)展？對于康復(fù)治療有什么意義？

@李廣曄

目前腦機(jī)接口技術(shù)更多還是停留在實驗室階段，但長遠(yuǎn)來看，還是希望這些技術(shù)可以造福人類。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢目前集中在以下幾個方面。

1、康復(fù)治療和運動恢復(fù)，例如由身體殘疾、中風(fēng)、漸凍癥等導(dǎo)致運動障礙的患者，通過腦機(jī)接口技術(shù)幫助他們與外界交互。

2、語音和溝通輔助，幫助存在語音障礙的患者實現(xiàn)和外界的通訊交流。

3、疾病的監(jiān)測和治療，例如癲癇、帕金森病、兒童多動癥與孤獨癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的監(jiān)測，以及監(jiān)測后進(jìn)行干預(yù)治療。

@陳光

剛剛老師反復(fù)提到的非侵入式和侵入式腦機(jī)接口各有哪些？大概的機(jī)制是什么以及有什么優(yōu)缺點？

@李廣曄

頭皮腦電信號（EEG）是直接在頭皮上佩戴腦電帽采集信號，優(yōu)勢是相對便攜且無創(chuàng)；再深入的就是皮層電極（ECoG），直接在大腦皮層上采集神經(jīng)信號；還有一種目前比較廣泛的就是立體腦電（SEEG），主要用在癲癇的術(shù)前監(jiān)測，是在大腦中植入直徑0.8mm的細(xì)長針狀電極，且單個電極上存在多個觸點，優(yōu)勢在于可以同時采集到皮層和腦深部的信號；最后就是通過單細(xì)胞電位記錄（single unit）采集神經(jīng)脈沖信號（Spikes），可以直接采集到單個神經(jīng)元的放電情況。這些方法各有優(yōu)劣，ECoG和SEEG采集到的是局部場電位，是多個神經(jīng)元混合的信號；Spikes則是直接采集到單個或多個神經(jīng)元發(fā)放的信號，時間和空間分辨率是最高的；EEG主要是頭皮上大規(guī)模的混合信號。這些信號采集方式的優(yōu)缺點主要體現(xiàn)在相應(yīng)技術(shù)是否需要開顱以及時間、空間分辨率上。

@陳光

以前段時間蘋果發(fā)布的Vision Pro為例，除了腦電信號，眼動、手勢的數(shù)據(jù)采集和識別也可以反映人的意圖，這類多模態(tài)的數(shù)據(jù)是否可以另辟蹊徑，成為未來腦機(jī)接口系統(tǒng)構(gòu)建的另一個分支？

@李廣曄

這些利用人類生物傳感器，如通過監(jiān)測瞳孔變化識別用戶感興趣內(nèi)容，包括剛剛提到的非侵入式腦機(jī)接口，未來在康復(fù)、輔助通訊、虛擬現(xiàn)實、娛樂等領(lǐng)域都有比較廣闊的應(yīng)用前景。例如，如果把EEG的頭皮電極整合到蘋果的頭顯內(nèi)部，同時獲取頭皮腦電數(shù)據(jù)和其他多模態(tài)數(shù)據(jù)，可以有很多創(chuàng)新的應(yīng)用前景。目前可以期待，但未來實現(xiàn)這些還是需要一些時間。

@陳光

以目前的智能手機(jī)為例，存在一些私人隱私泄露的問題，對于目前腦機(jī)接口進(jìn)展中，有哪些倫理上的考慮？有哪些工作已經(jīng)在防止這類倫理問題的發(fā)生？

@李廣曄

目前世界范圍對這個領(lǐng)域的倫理非常重視。

1、個人隱私和數(shù)據(jù)安全問題，需要建立相應(yīng)的準(zhǔn)則和指南。

2、用戶知情權(quán)，以目前學(xué)術(shù)界為例，首先需要申請倫理許可證，實驗前還需要與用戶簽訂知情同意書，讓被試知道即將做什么。

3、數(shù)據(jù)按嚴(yán)格要求存儲，未經(jīng)過用戶允許不可以私自傳播。目前的應(yīng)用暫時不存在這個風(fēng)險，未來產(chǎn)品落地時需要在這方面制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

@陳光

腦機(jī)接口作為一項相對神秘的技術(shù)，目前大眾對腦機(jī)接口存在哪些比較普遍性的誤解？

@李廣曄

目前的腦機(jī)接口主要還是停留在實驗室階段，一閃而過的意念識別目前還是比較困難的，媒體的過度宣傳容易在這方面給大眾帶來恐慌。同時，大腦作為非常復(fù)雜的器官，真正理解大腦未來還需要很長的路要走。在未來的實際落地中，相應(yīng)的倫理法規(guī)也會完善，因此目前大家也不要過于恐慌諸如“黑客進(jìn)入我的大腦”之類的問題。

觀眾提問

Q：在您看來，腦機(jī)接口的發(fā)展目前進(jìn)入了什么階段，距離“進(jìn)入千萬家”還需要多遠(yuǎn)？短期來看是否可以達(dá)到類似AlphaGo或者ChatGPT這種級別人工智能的拐點？

@李廣曄

從我的業(yè)內(nèi)角度來說，我認(rèn)為還是需要挺長一段時間的，短期內(nèi)（5～10年范圍內(nèi)）暫時不會達(dá)到這種程度，還需要很多人的共同努力。諸如Neuralink的介入，的確會給這個領(lǐng)域帶來一定的推動效果，但目前暫時沒法給出實際的時間預(yù)測，技術(shù)還需要不斷更新迭代，因此短期內(nèi)應(yīng)該還達(dá)不到一個新的高度。

@陳光

是的，我認(rèn)為具體任務(wù)（比如剛剛提到的醫(yī)療應(yīng)用）的腦機(jī)接口系統(tǒng)還是有望在短期內(nèi)實現(xiàn)突破，但通用型的腦機(jī)接口系統(tǒng)確實存在許多困難。

關(guān)鍵詞：