腦機(jī)接口作為一項(xiàng)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(kāi)辟了一種全新的可能。

(資料圖片)

本期訪談?dòng)申惞獠┦恐鞒郑瑫r(shí)也是AI領(lǐng)域的知名博主@愛(ài)可可-愛(ài)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(guò)追問(wèn)形式呈現(xiàn)會(huì)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(gè)問(wèn)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(yùn)作的？

@李廣曄

在媒體上，腦機(jī)接口是近幾年比較熱門(mén)的話題。但從實(shí)驗(yàn)室層面，相關(guān)研究從幾十年前就已經(jīng)開(kāi)始了。腦機(jī)接口（Brain Computer Interface或Brain Machine Interface）實(shí)際上就是獲取大腦的神經(jīng)信號(hào)，通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行解碼來(lái)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(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互。例如，被試通過(guò)腦機(jī)接口打字和控制光標(biāo)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。

@陳光

這種大腦意識(shí)和信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)是有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還是需要通過(guò)努力想象才能體現(xiàn)出一個(gè)強(qiáng)的腦電特征信號(hào)呢？

@李廣曄

腦電信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)很微弱的信號(hào)，以控制機(jī)械臂為例，盡量努力控制自己手臂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作信號(hào)可能會(huì)更強(qiáng)一些，但目前也有一些研究是基于運(yùn)動(dòng)想象，而不是盡量努力地讓身體輸出運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)腦機(jī)接口范式。

@陳光

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

@李廣曄

是的，這種信號(hào)相對(duì)來(lái)說(shuō)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(wèn)溯源，最早時(shí)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(shí)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(hào)最早可以追溯到1929年，德國(guó)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(hào)。1969年，真正出現(xiàn)了一個(gè)比較具有代表性的腦機(jī)接口研究，美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）的Fetz在猴子大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)植入電極，將電極與儀表盤(pán)連接，通過(guò)對(duì)猴子上采集到的大腦信號(hào)分析解碼，如果猴子控制儀表盤(pán)指針達(dá)到目標(biāo)區(qū)域，就給猴子一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)是腦機(jī)接口上的第一次嘗試。在這個(gè)過(guò)程中，猴子也學(xué)會(huì)了通過(guò)自己的腦電信號(hào)控制儀表盤(pán)來(lái)獲取獎(jiǎng)勵(lì)，這只猴子從某種意義上也是腦機(jī)接口的第一個(gè)被試。最早在1982年，出現(xiàn)了第一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制腦機(jī)接口的工作。研究人員在猴子大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)植入電極，發(fā)現(xiàn)當(dāng)猴子做不同方向的伸手運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)。

@陳光

這些早期的實(shí)驗(yàn)為腦機(jī)接口帶來(lái)了突破性的進(jìn)展，雖然實(shí)驗(yàn)范式比較原始，卻也為后來(lái)的研究人員提供了很多啟發(fā)，奠定了堅(jiān)實(shí)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(duì)大腦神經(jīng)機(jī)制不夠清楚，以及后來(lái)逐漸發(fā)現(xiàn)了一些對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，卻不清楚該如何運(yùn)用這些知識(shí)。由于當(dāng)時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)不太先進(jìn)，當(dāng)時(shí)在采集過(guò)程中信號(hào)流失或延遲也比較嚴(yán)重，解碼算法也相對(duì)局限。

@陳光

信號(hào)采集設(shè)備和技術(shù)、信號(hào)解碼、排除噪聲干擾，這些問(wèn)題到今天依然是開(kāi)展腦機(jī)接口研究的挑戰(zhàn)。隨著時(shí)間推移，新一代的技術(shù)給腦機(jī)接口研究帶來(lái)了怎樣的推動(dòng)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(hào)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(lái)出現(xiàn)了更好分辨率和更高靈敏度傳感器，使獲得的信號(hào)質(zhì)量得到了改善，讓前端可以得到更豐富的信息。后來(lái)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(hào)。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(hào)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(hào)處理和解碼算法的發(fā)展。也就是我們拿到信號(hào)數(shù)據(jù)，該怎么去解釋這些數(shù)據(jù)。在過(guò)去，可能采用的是一些簡(jiǎn)單的線性方法，隨著計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)癥、睡眠障礙的監(jiān)測(cè)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(wú)線的可穿戴設(shè)備發(fā)展。總的來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口就是在信號(hào)采集技術(shù)、信號(hào)處理和解碼方法、應(yīng)用拓展和可穿戴性這幾個(gè)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(shuō)法叫“飛輪效應(yīng)”。如李老師剛才介紹的，腦機(jī)接口在信號(hào)獲取、處理、應(yīng)用等方面得到了不斷的發(fā)展，并且在各個(gè)技術(shù)層面形成了正反饋，即每一環(huán)都會(huì)促進(jìn)其他各個(gè)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(gè)準(zhǔn)快速發(fā)展的“飛輪時(shí)期”？

@李廣曄

近幾年，諸如馬斯克的Neuralink這類美國(guó)科技公司的發(fā)展，對(duì)于腦機(jī)接口帶來(lái)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(gè)角色？為這個(gè)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(gè)方面：

1、腦電信號(hào)處理上，腦電信號(hào)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(gè)“黑箱子”模型，但相比之前手動(dòng)提取特征，提取原始信號(hào)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(yàn)。比如一些自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)或者情感識(shí)別之類的技術(shù)融合到腦機(jī)接口系統(tǒng)中，這樣計(jì)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(yàn)。

@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(shí)驗(yàn)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(diǎn)？

@李廣曄

剛剛我們談到了1929年和1969年的兩個(gè)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(dòng)物到人，再逐漸到人實(shí)驗(yàn)上的精細(xì)化控制，以及信號(hào)維度上的提高、多模態(tài)感覺(jué)信號(hào)的融合上，這些節(jié)點(diǎn)都給我們帶來(lái)了不少的驚喜。并且越往后，這些節(jié)點(diǎn)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(shí)是否已經(jīng)融合到人工智能等其他領(lǐng)域上，目前對(duì)于腦科學(xué)的理解和我們對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)、功能的進(jìn)步有怎樣的聯(lián)系？將來(lái)有什么趨勢(shì)？

@李廣曄

腦機(jī)接口屬于一個(gè)高度交叉的學(xué)科和技術(shù)，實(shí)際上我們對(duì)大腦信號(hào)的理解是腦機(jī)接口的基礎(chǔ)。信號(hào)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(guò)來(lái)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(guò)去我們只采集運(yùn)動(dòng)區(qū)的信號(hào)來(lái)做運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)前額葉、頂葉等其他腦區(qū)也在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮作用。基于這些腦科學(xué)的知識(shí)，將來(lái)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(duì)于未來(lái)有什么影響？

@李廣曄

第一個(gè)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(shí)間分辨率腦神經(jīng)信號(hào)的采集。信號(hào)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(yùn)動(dòng)控制腦機(jī)接口系統(tǒng)，將運(yùn)動(dòng)控制從離散轉(zhuǎn)變成更連續(xù)、更自由的控制。

第二個(gè)方面就是長(zhǎng)期信號(hào)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(wèn)題，如何避免長(zhǎng)期植入引發(fā)的炎癥反應(yīng)對(duì)信號(hào)衰減的影響是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前隨著新型電極材料的發(fā)展，在長(zhǎng)期使用上帶來(lái)了很大的突破。第三個(gè)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(lái)在哪些方面可能具有哪些進(jìn)展？對(duì)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(shí)驗(yàn)室階段，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(shì)目前集中在以下幾個(gè)方面。

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

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

3、疾病的監(jiān)測(cè)和治療，例如癲癇、帕金森病、兒童多動(dòng)癥與孤獨(dú)癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的監(jiān)測(cè)，以及監(jiān)測(cè)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(diǎn)？

@李廣曄

頭皮腦電信號(hào)（EEG）是直接在頭皮上佩戴腦電帽采集信號(hào)，優(yōu)勢(shì)是相對(duì)便攜且無(wú)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(hào)；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(cè)，是在大腦中植入直徑0.8mm的細(xì)長(zhǎng)針狀電極，且單個(gè)電極上存在多個(gè)觸點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)采集到皮層和腦深部的信號(hào)；最后就是通過(guò)單細(xì)胞電位記錄（single unit）采集神經(jīng)脈沖信號(hào)（Spikes），可以直接采集到單個(gè)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(chǎng)電位，是多個(gè)神經(jīng)元混合的信號(hào)；Spikes則是直接采集到單個(gè)或多個(gè)神經(jīng)元發(fā)放的信號(hào)，時(shí)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(hào)。這些信號(hào)采集方式的優(yōu)缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在相應(yīng)技術(shù)是否需要開(kāi)顱以及時(shí)間、空間分辨率上。

@陳光

以前段時(shí)間蘋(píng)果發(fā)布的Vision Pro為例，除了腦電信號(hào)，眼動(dòng)、手勢(shì)的數(shù)據(jù)采集和識(shí)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(lái)腦機(jī)接口系統(tǒng)構(gòu)建的另一個(gè)分支？

@李廣曄

這些利用人類生物傳感器，如通過(guò)監(jiān)測(cè)瞳孔變化識(shí)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(lái)在康復(fù)、輔助通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)、娛樂(lè)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(píng)果的頭顯內(nèi)部，同時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)這些還是需要一些時(shí)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(wèn)題，對(duì)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(wèn)題的發(fā)生？

@李廣曄

目前世界范圍對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的倫理非常重視。

1、個(gè)人隱私和數(shù)據(jù)安全問(wèn)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(qǐng)倫理許可證，實(shí)驗(yàn)前還需要與用戶簽訂知情同意書(shū)，讓被試知道即將做什么。

3、數(shù)據(jù)按嚴(yán)格要求存儲(chǔ)，未經(jīng)過(guò)用戶允許不可以私自傳播。目前的應(yīng)用暫時(shí)不存在這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)產(chǎn)品落地時(shí)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(xiàng)相對(duì)神秘的技術(shù)，目前大眾對(duì)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(shí)驗(yàn)室階段，一閃而過(guò)的意念識(shí)別目前還是比較困難的，媒體的過(guò)度宣傳容易在這方面給大眾帶來(lái)恐慌。同時(shí)，大腦作為非常復(fù)雜的器官，真正理解大腦未來(lái)還需要很長(zhǎng)的路要走。在未來(lái)的實(shí)際落地中，相應(yīng)的倫理法規(guī)也會(huì)完善，因此目前大家也不要過(guò)于恐慌諸如“黑客進(jìn)入我的大腦”之類的問(wèn)題。

觀眾提問(wèn)

Q：在您看來(lái)，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(wàn)家”還需要多遠(yuǎn)？短期來(lái)看是否可以達(dá)到類似AlphaGo或者ChatGPT這種級(jí)別人工智能的拐點(diǎn)？

@李廣曄

從我的業(yè)內(nèi)角度來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為還是需要挺長(zhǎng)一段時(shí)間的，短期內(nèi)（5～10年范圍內(nèi)）暫時(shí)不會(huì)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(huì)給這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)一定的推動(dòng)效果，但目前暫時(shí)沒(méi)法給出實(shí)際的時(shí)間預(yù)測(cè)，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(gè)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(shí)現(xiàn)突破，但通用型的腦機(jī)接口系統(tǒng)確實(shí)存在許多困難。

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