什么是脑机接口(BCI)?——依靠人脑与计算机的双向学习

什么是脑机接口?

脑机接口使用脑电波电信号在人与机器之间进行交流，允许患者控制电动设备，如轮椅或机器人手臂，这些设备可以用来抓取物体。用户在视觉上观察周围环境后，专注于要执行的动作，生成的脑电图(EEG)由放置在头部表面的非侵入性电极贴片接收，然后传输到计算机软件。计算机对产生的脑电图信号进行处理，提取接收到的信息，对其进行解码，并对对象执行所需的动作。脑机接口为身体残疾的人提供了一种用他们的思想来控制计算机的方法，取代了键盘、鼠标和语音输入方法，所有这些都需要身体的实际运动。

脑机接口是如何工作的?

脑机接口技术可以直接检测到大脑中的活动，包括注意力、思维、压力等。有很多潜在的好处，但也有滥用的风险。软件可以调节光源，播放舒缓压力的音乐，但想象一下，一个主管可以监控员工的注意力，甚至用大脑命令来控制员工的压力水平。

使用大脑直接控制计算机和机器是使用脑机接口的一个例子。脑机接口测量大脑活动，提取特定活动的特征，并将这些特征转化为数字输出信号，替代、恢复、增强、补充或改善人体功能。这样做的好处是，它摆脱了大多数交互界面对视觉、听觉等感官接收和身体参与的要求，让更多的残疾人可以毫无负担地参与使用。脑机接口的更多功能仍处于实验开发阶段，但目前主要的应用是取代失去的功能，如通信和移动。

近年来，脑机接口的相关研究主要集中在信号的采集，以及信号的处理和计算。脑电图信号通过附着在头皮上的无线干电极收集。与连接大脑皮层收集手术过程中的信息相比，外接干电极具有侵入性低、操作简单等优点。研究已经产生了识别脑电图信号并提取其特征、减少噪声干扰、调整控制装置动作和提高可靠性的算法。

由于测量到的脑电图信号是多个神经元放电叠加的结果，研究人员必须分析用户在执行不同任务时大脑的脑波特征，并找到有助于解释用户意图的线索。其中，视觉诱发电位(VEP)和事件相关电位(ERP)表明许多脑波特征与大脑活动和功能有关。独立分量分析可以有效地分离眨眼与背景电磁干扰产生的肌电信号。随着机器学习技术的发展，能够识别关键脑电图波形的算法可以更准确地分析脑电图信号，了解用户的意愿。

脑机接口的三要素:信号采集、特征提取、翻译算法。

脑机接口应用:

• 协助因受伤或疾病而失去身体功能的人，协助沟通或代替轮椅操作。
• 恢复身体机能。如刺激瘫痪病人的肌肉和神经，以恢复膀胱功能。
• 改善身体机能。比如中风患者的康复。
• 增强心理功能。例如，通过检测学生的大脑活动和监测他们的精神状态来检测压力或改善注意力不集中的学生。
• 作为大脑功能的研究工具。

脑机接口应用的行业包括健康和神经反馈的通信和控制、辅助技术和家庭控制、安全与保护、娱乐与游戏、金融、科学研究等。预计随着这项技术的发展，除了提升It产业的价值外，还可以帮助改善和提升医疗服务。