腦機(jī)接口旨在通過直接從大腦信號(hào)中實(shí)時(shí)解碼用戶意圖來為輔助設(shè)備提供豐富、強(qiáng)大的命令信號(hào)。近年來，腦機(jī)接口技術(shù)的理論和實(shí)際應(yīng)用的研究進(jìn)展迅速，技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。本文概述了2019—2020年腦機(jī)接口領(lǐng)域在硬件、算法、范式、應(yīng)用等方面取得的重要研究進(jìn)展和發(fā)生的熱點(diǎn)事件，展望了未來腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）技術(shù)通過檢測(cè)用戶意圖直接控制外部設(shè)備，從而為恢復(fù)感覺和運(yùn)動(dòng)功能以及治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病開啟了一扇全新的大門。

盡管侵入式和非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)在可實(shí)現(xiàn)任務(wù)復(fù)雜性方面有所不同，但兩類腦機(jī)接口都能成功展現(xiàn)出輔助恢復(fù)肢體功能的能力，包括獨(dú)立行走、手的功能操作以及語(yǔ)言交流。近年來，腦機(jī)接口技術(shù)不斷取得突破，也帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)一步投入。例如，Elon Musk的腦機(jī)接口技術(shù)公司Neuralink于2019年發(fā)布了腦機(jī)接口植入機(jī)器人。2019年，F(xiàn)acebook斥資10億美元收購(gòu)腦機(jī)接口公司CTRL-labs。在2019亞洲消費(fèi)電子展（CES Asia 2019）上，日產(chǎn)汽車展示了解讀大腦信號(hào)的腦控車（Brain-to-Vehicle）技術(shù)。而在2020年5月，華米科技和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院共同建立了“腦機(jī)智能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，展示了國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的關(guān)注。接下來，本文將從應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和未來發(fā)展趨勢(shì)等方面回顧2019—2020年的腦機(jī)接口領(lǐng)域的前沿進(jìn)展。◆ ◆  ◆    應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：交流與控制

1溝通交流

語(yǔ)音解碼類腦機(jī)接口技術(shù)能夠?qū)⑸窠?jīng)活動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音信號(hào)，它對(duì)由于神經(jīng)功能障礙而無法正常交流的群體具有革命性的意義。

2019年4月，加州大學(xué)舊金山分校的研究團(tuán)隊(duì)基于腦機(jī)接口技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的神經(jīng)解碼器，該解碼器能夠通過提取大腦皮層活動(dòng)對(duì)發(fā)聲器官的運(yùn)動(dòng)情況來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的合成（圖1）。

圖1   通過皮層腦電合成語(yǔ)音

不僅如此，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，即便是在受試者“默讀”，即在不發(fā)出聲音的情況下讀出句子時(shí)，這樣的解碼方法也能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音的合成，表明該系統(tǒng)有望潛在應(yīng)用于不能發(fā)出聲音的人。這些研究成果展現(xiàn)出通過腦機(jī)接口技術(shù)幫助患者恢復(fù)口語(yǔ)交流能力的臨床可行性，并發(fā)表在《Nature》上。隨后的2019年7月，該研究團(tuán)隊(duì)在同樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上展示了基于高密度ECoG信號(hào)的模擬自然問答對(duì)話系統(tǒng)（圖2）。利用在對(duì)話中記錄下的腦信號(hào)，能夠確定受試者何時(shí)在聽、何時(shí)在說，并且能夠預(yù)測(cè)所聽或所說的是什么。

圖2   問（藍(lán)）和答（紅）過程的實(shí)時(shí)語(yǔ)音解碼示意由于特定的問題只可能對(duì)應(yīng)特定的答案，所以在這一系統(tǒng)中，研究者根據(jù)解碼后的問題來動(dòng)態(tài)更新答案的先驗(yàn)概率，從而實(shí)現(xiàn)了更為準(zhǔn)確的回答內(nèi)容解碼。該系統(tǒng)對(duì)于生成語(yǔ)音和感知語(yǔ)音的解碼準(zhǔn)確率分別高達(dá)61%和76%。這一成果闡明腦機(jī)接口技術(shù)可以在交互式對(duì)話環(huán)境中實(shí)時(shí)解碼語(yǔ)音，對(duì)于無法交流的患者具有重要意義。該工作發(fā)表在《Nature Communications》上。2020年3月，加州大學(xué)舊金山分校的研究團(tuán)隊(duì)利用受試者朗讀文本時(shí)收集的ECoG信號(hào)，成功訓(xùn)練了一個(gè)可以將ECoG信號(hào)端到端“翻譯”為連續(xù)文字的深度循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（圖3）。

圖3   將皮層腦電轉(zhuǎn)錄成文本通過在側(cè)裂周圍區(qū)植入電極并采集ECoG信號(hào)，該研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)受試者當(dāng)前朗讀句子的識(shí)別。4位病人顱內(nèi)腦電解讀錯(cuò)誤率最低可以達(dá)到3%。該研究成果發(fā)表在《Nature Neuroscience》上。除了上述提及的利用侵入式腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言交流功能外，非侵入式腦機(jī)接口在恢復(fù)交流功能方面也展現(xiàn)出較大的潛力。2019年4月7日，中央電視臺(tái)的《挑戰(zhàn)不可能》節(jié)目中，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了一套腦機(jī)接口打字輸入系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)的幫助下，全身只有眼球和嘴角可以活動(dòng)的漸凍人王甲成功實(shí)現(xiàn)詩(shī)句拼寫，并完成了與董卿評(píng)委的“合誦”。這套系統(tǒng)展示了腦機(jī)接口系統(tǒng)在幫助漸凍癥群體重拾交流能力的潛力。

2觸覺和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)

除了幫助患者恢復(fù)交流能力之外，腦機(jī)接口的另一項(xiàng)經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景則是幫助運(yùn)動(dòng)障礙群體，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

在美國(guó)巴特爾紀(jì)念研究所及合作研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的研究中，基于腦機(jī)接口技術(shù)，一名脊髓損傷患者利用其手部殘存的觸摸信號(hào)實(shí)現(xiàn)了觸覺和運(yùn)動(dòng)功能的同時(shí)恢復(fù)（圖4）。

圖4   同時(shí)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)與觸覺功能的腦機(jī)接口系統(tǒng)

在這項(xiàng)研究中，腦機(jī)接口系統(tǒng)從初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層活動(dòng)反映的運(yùn)動(dòng)意圖中提取出患者殘余的、無法被患者知覺感知的手部觸覺信號(hào)，并將該信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)后反饋給患者，從而實(shí)現(xiàn)皮層內(nèi)控制的閉環(huán)感覺反饋，并可以通過觸摸信號(hào)調(diào)節(jié)握力。在這樣一套閉環(huán)反饋的腦機(jī)接口幫助下，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練后患者幾乎完全恢復(fù)了感知物體觸摸的能力，多種感覺運(yùn)動(dòng)功能也得到了顯著改善。這些結(jié)果表明，腦機(jī)接口可以從大腦皮層采集低于知覺反應(yīng)范圍的神經(jīng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為有意識(shí)的知覺，從而顯著增強(qiáng)功能。這項(xiàng)工作展示了首個(gè)同時(shí)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)與觸覺功能的腦機(jī)接口系統(tǒng)，并在《Cell》上發(fā)表。

3運(yùn)動(dòng)控制

法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一項(xiàng)腦控外骨骼的研究成果。一名四肢癱瘓患者在一款處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段的大腦控制外骨骼系統(tǒng)幫助下實(shí)現(xiàn)了再次行走。

研究人員在他的大腦的上肢感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域植入了兩個(gè)雙側(cè)無線硬膜外記錄儀，以獲取硬膜外ECoG信號(hào)。獲取的ECoG信號(hào)通過自適應(yīng)解碼算法在線處理，以將命令發(fā)送至效應(yīng)器（虛擬化身或外骨骼）。兩年間，病人在家中利用虛擬化身模擬行走，并在不同的觸控任務(wù)和手腕旋轉(zhuǎn)過程中，以八自由度的方式進(jìn)行雙側(cè)、多關(guān)節(jié)、上肢的運(yùn)動(dòng)，成功率為64.0%；在實(shí)驗(yàn)室的外骨骼中的成功率為70.9%。這項(xiàng)工作首次成功驗(yàn)證了長(zhǎng)期使用無線硬膜外多通道記錄儀的可能，且首次將人類長(zhǎng)期臨床應(yīng)用所需的所有技術(shù)要素（硬腦膜記錄、無線供電和發(fā)射、多通道ECoG信號(hào)的在線解碼以及完全嵌入）進(jìn)行了組合。與微電極陣列相比，硬膜外ECoG侵入性較小，而效果相似，展示了較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用潛力。該工作發(fā)表在《The Lancet Neurology》上。而2020年1月，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究。在植入電極后，患者可以利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，首次證明高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜而有效的運(yùn)動(dòng)控制的可行性。來自卡耐基梅隆大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員則為腦機(jī)接口的機(jī)械臂控制提出了非侵入的解決方案。基于頭皮腦電，研究者可以控制機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤（圖5）。

圖5   用于連續(xù)隨機(jī)目標(biāo)跟蹤的腦機(jī)接口控制機(jī)械臂系統(tǒng)

該技術(shù)通過連續(xù)的追蹤任務(wù)和相關(guān)的訓(xùn)練范式增加用戶的參與度，顯著改善了基于腦電的神經(jīng)解碼效率，并且能夠允許用戶對(duì)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)高分辨率控制。該技術(shù)可以幫助用戶通過腦機(jī)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)光標(biāo)的連續(xù)跟蹤和跟隨。在該研究成果中，研究人員將計(jì)算機(jī)光標(biāo)的連續(xù)跟蹤提高了500%以上，解決了機(jī)械臂跟隨光標(biāo)的流暢度問題，同時(shí)結(jié)合在線無創(chuàng)神經(jīng)成像，將腦機(jī)接口的控制水平提升了近10%。研究人員將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)任務(wù)中，發(fā)現(xiàn)從控制不受約束的虛擬光標(biāo)運(yùn)動(dòng)到控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，該技術(shù)幾乎可以做到完美過渡。這種高質(zhì)量的神經(jīng)解碼能力與非侵入式機(jī)械臂控制的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，將對(duì)利用非侵入式腦機(jī)接口開發(fā)和實(shí)現(xiàn)神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)生重大影響。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在68名健康受試者身上進(jìn)行了測(cè)試，該團(tuán)隊(duì)還將對(duì)患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)。這項(xiàng)研究代表了無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的重要一步，有望成為如智能手機(jī)一樣幫助每個(gè)人的輔助技術(shù)。該研究成果發(fā)表在《Science Robotics》上。◆ ◆  ◆    關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展：新硬件、新算法、新范式、新應(yīng)用

1新硬件

腦機(jī)接口的硬件主要涉及電極和信號(hào)采集系統(tǒng)。對(duì)于侵入式腦機(jī)接口而言，需要具有生物相容性、安全性和長(zhǎng)期植入的材料特性的電極；

而非侵入式腦機(jī)接口則傾向于舒適、便攜的信號(hào)獲取方式。腦機(jī)接口硬件的創(chuàng)新將極大地推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化、產(chǎn)品化。2019年7月，Elon Musk的Neuralink公司發(fā)布了一款可擴(kuò)展的高帶寬腦機(jī)接口系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含小而靈活的電極“線”陣列，每個(gè)陣列多達(dá)96根線，每根線帶有32個(gè)電極，共分布了多達(dá)3072個(gè)電極。該系統(tǒng)還包含一個(gè)神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人每分鐘可以插入六根線（即192個(gè)電極）。每根線可以以微米級(jí)的精度單獨(dú)插入特定大腦靶區(qū)中，以避免表面血管。電極陣列被封裝在一個(gè)小的可植入設(shè)備中，該設(shè)備包含用于低功耗板上放大和數(shù)字化的定制芯片，3072個(gè)通道封裝所占面積小于23 mm×18.5 mm×2 mm（圖6）。一根USB-C電纜可提供設(shè)備的全帶寬數(shù)據(jù)流傳輸，并同時(shí)記錄記錄所有通道的數(shù)據(jù)。

圖6 植入大鼠的傳感器設(shè)置相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中所設(shè)計(jì)的樣機(jī)往往較為簡(jiǎn)陋，未實(shí)現(xiàn)工程上的充分優(yōu)化，Neuralink提出的這一套高度集成化、自動(dòng)化的腦機(jī)接口系統(tǒng)展示了工業(yè)界的關(guān)注對(duì)腦機(jī)接口實(shí)用化進(jìn)程的重大意義。日本熊本大學(xué)和山口大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將近紅外光譜、皮層腦電和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器的多通道測(cè)量功能集成到單個(gè)設(shè)備中。該設(shè)備使用柔性印刷電路技術(shù)和半導(dǎo)體微制造技術(shù)進(jìn)行制造和組裝，以實(shí)現(xiàn)與硬膜下植入兼容的傳感器組件的高密度集成，并且具有類似于神經(jīng)外科手術(shù)中硬膜下條狀電極的緊湊外形，可以提供有關(guān)大腦皮層活動(dòng)各個(gè)方面的有益信息，并被證明是術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后診斷的有力醫(yī)學(xué)手段。除了上述提及的有創(chuàng)腦信號(hào)獲取方法外，在無創(chuàng)腦信號(hào)獲取硬件方法也取得了進(jìn)展。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于自行車頭盔改造且完全符合生命周期的可穿戴腦磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?yàn)樗心挲g段的受試者提供高保真數(shù)據(jù)，且無需限制受試者的活動(dòng)（圖7）。

圖7   裝在經(jīng)過改裝的自行車頭盔中的光泵磁力儀測(cè)量腦磁信號(hào)因此可以使用單一系統(tǒng)測(cè)量?jī)和⑶嗌倌旰统扇嗽谕獠凯h(huán)境中大腦如何做出反應(yīng)并適應(yīng)自然事件的能力，有望提供有關(guān)早期生命中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能發(fā)育的機(jī)制性見解。這項(xiàng)工作揭示了一種功能成像的新方法，為研究健康和疾病中的神經(jīng)發(fā)育提供一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)舒適、便攜的信號(hào)獲取方式是推廣非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的重要前提。

佐治亞理工學(xué)院及合作研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一個(gè)完全便攜式、無線、靈活的頭皮電子系統(tǒng)，其中包括一組干電極和一個(gè)柔性膜電路（圖8）。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)域分析可對(duì)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地分類。

圖8   具有完全便攜式和無線的頭皮電子設(shè)備

相比于商用系統(tǒng)，柔性電子產(chǎn)品因顯著降低噪聲和電磁干擾能夠提高誘發(fā)電位檢測(cè)性能。兩通道的頭皮電子系統(tǒng)獲得了122.1 bit/min的信息傳輸率，允許對(duì)電動(dòng)輪椅、電動(dòng)汽車和無鍵盤演示進(jìn)行無線、實(shí)時(shí)和通用的腦電控制。丹麥奧爾胡斯大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于干式接觸電極的外耳道腦電采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括嵌入個(gè)性化軟耳件中的主動(dòng)屏蔽和納米結(jié)構(gòu)電極。通過12名受試者和聽覺穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位、失匹配負(fù)波、alpha調(diào)制四種范式的驗(yàn)證，所開發(fā)系統(tǒng)的性能與靠近耳朵的頭皮腦電圖性能相當(dāng)。清華大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高成本效率、易于制造、靈活、魯棒且無凝膠的銀納米線/聚乙稀醇縮丁醛/三聚氰胺海綿的腦電電極。由于銀納米線的表面金屬化，海綿具有高電導(dǎo)率，而重量卻保持不變。柔軟的海綿架構(gòu)和自鎖式銀納米線結(jié)合在一起，為電極提供了卓越的機(jī)械穩(wěn)定性和繞過頭發(fā)的能力。利用該電極放置在無毛皮膚時(shí)，所構(gòu)建的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口的性能與導(dǎo)電膏支持的常規(guī)電極的腦機(jī)接口性能相當(dāng)。尤為重要的是，該電極在毛發(fā)區(qū)的性能并未顯著降低。這一成果顯示出該新型電極有望替代腦電采集的常規(guī)電極。另外，腦電數(shù)據(jù)處理芯片化有望為腦機(jī)接口技術(shù)走向民用化、便攜化、可穿戴化及簡(jiǎn)單易用化開辟道路。2019年，天津大學(xué)和中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)在第三屆世界智能大會(huì)上發(fā)布了腦機(jī)接口專用芯片“腦語(yǔ)者”。

2新算法

對(duì)于侵入式腦機(jī)接口而言，腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用的關(guān)鍵障礙是植入皮層電極所記錄的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)隨時(shí)間變化。而神經(jīng)記錄的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致臨床腦機(jī)接口無法控制。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)利用低維神經(jīng)流形（即描述神經(jīng)元之間特定相關(guān)模式的低維空間）的對(duì)齊，開發(fā)了一種基于流形的神經(jīng)信號(hào)穩(wěn)定器，以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口信號(hào)的穩(wěn)定輸入，從而在神經(jīng)記錄不穩(wěn)定時(shí)依舊能夠維持腦機(jī)接口性能。斯坦福大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)提出了一種時(shí)間約束的稀疏組空間模式（temporally constrained sparse group spatial patterns），通過同時(shí)優(yōu)化共空間模式中濾波器頻帶和時(shí)間窗長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高想象運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口的性能。英國(guó)埃塞克斯大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)提出了一種用于腦機(jī)音樂接口（brain computer music interface，BCMI）的個(gè)性化情感狀態(tài)檢測(cè)方法。相比于基于群體的檢測(cè)方法（population-based detection method），個(gè)性化情感狀態(tài)檢測(cè)方法的正確率更高，情感效價(jià)和喚醒度的平均正確率分別提高了10.2%和9.3%。韓國(guó)高麗大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于受試者的分段頻譜濾波（subject-dependent and section-wise spectral filtering，SSSF）方法，旨在從預(yù)處理技術(shù)（即頻譜濾波）的角度提高運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位（movement-related cortical potential，MRCP）的解碼性能。該方法考慮了兩個(gè)不同的時(shí)間段的受試者個(gè)性化MRCP頻譜頻率特征，對(duì)單試次MRCP檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了0.86的平均解碼性能，驗(yàn)證了所提出的SSSF方法比常規(guī)方法可以包含更多有意義的MRCP信息。華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的流形嵌入知識(shí)遷移（manifold embedded knowledge transfer，MEKT）方法。該方法首先在黎曼流形中對(duì)齊EEG試次的協(xié)方差矩陣，提取切線空間中的特征；然后通過最小化源域和目標(biāo)域之間的聯(lián)合概率分布偏移來實(shí)現(xiàn)域自適應(yīng)，同時(shí)保留其幾何結(jié)構(gòu)。該方法可以處理一個(gè)或多個(gè)源域，并且可以高效地進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)于大量源域的情況，該團(tuán)隊(duì)還提出了域遷移性估計(jì)（domain transferability estimation，DTE）方法，以識(shí)別最有利的源域。對(duì)來自兩個(gè)不同BCI范式的四個(gè)腦電數(shù)據(jù)集進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，MEKT優(yōu)于幾種最先進(jìn)的轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)方法，并且當(dāng)源受試者的數(shù)量很大時(shí)，DTE可以減少一半以上的計(jì)算成本，而幾乎不會(huì)犧牲分類精度。法國(guó)Aramis project-team及合作研究團(tuán)隊(duì)提出了一種融合方法，該方法能夠整合來自同步腦電和腦磁信號(hào)的信息，以提高基于運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的分類性能。該方法的核心在于能夠自動(dòng)加權(quán)每種模態(tài)的貢獻(xiàn)，以優(yōu)化性能。與單模態(tài)方法相比，基于腦電和腦磁的多模態(tài)信息能夠顯著提高腦機(jī)接口的分類性能。

3新范式

斯坦福大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)利用神經(jīng)元記錄在四肢癱瘓患者上研究了面部、頭部、手臂和腿部運(yùn)動(dòng)如何在前運(yùn)動(dòng)皮層“手結(jié)區(qū)”中表征。他們發(fā)現(xiàn)上述所有運(yùn)動(dòng)在“手結(jié)區(qū)”均具有較好的表征，并且存在著將四肢聯(lián)系起來的神經(jīng)編碼。這種聯(lián)系可能有助于大腦將其某一肢體學(xué)會(huì)的技能轉(zhuǎn)移至另一肢體中。

基于上述發(fā)現(xiàn)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)，能夠利用“手結(jié)區(qū)”的信號(hào)精確地解碼四肢的運(yùn)動(dòng)。先前研究者往往認(rèn)為要控制身體的不同部位就需要在大腦的多個(gè)區(qū)域植入電極，而這一研究成果展示只在一個(gè)區(qū)域放置植入電極，就可能實(shí)現(xiàn)全身的運(yùn)動(dòng)控制，這一成果將大大拓寬顱內(nèi)腦機(jī)接口的應(yīng)用空間。匹茲堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于運(yùn)動(dòng)想象的混合腦機(jī)接口，它利用腦電圖記錄腦電活動(dòng)以及利用功能性經(jīng)顱多普勒超聲（functional transcranial Doppler ultrasound ，fTCD）測(cè)量腦血流速度。研究人員計(jì)算了來自EEG和fTCD信號(hào)的功率譜特征，并利用互信息和線性支持向量機(jī)進(jìn)行特征選擇和分類。與現(xiàn)有的基于EEG和fNIRS的混合腦機(jī)接口相比，所構(gòu)建的系統(tǒng)能夠以較短的任務(wù)持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)相似或更高的準(zhǔn)確率。多倫多大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)利用近紅外光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在線三分類想象言語(yǔ)（imagined speech）腦機(jī)接口。用戶可以通過隱式默念短語(yǔ)“是”或“否”來直接回答是或否問題，該腦機(jī)接口還能識(shí)別無限制休息狀態(tài)，從而構(gòu)成了三個(gè)可識(shí)別的任務(wù)。在最后三組在線實(shí)驗(yàn)中，所有受試者的平均在線分類正確率達(dá)64.1%。研究結(jié)果表明，想象言語(yǔ)可以用作選定用戶的可靠激活任務(wù)，以開發(fā)更為直觀的腦機(jī)接口。對(duì)于想象運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)，想象運(yùn)動(dòng)期間的動(dòng)作觀察（action observation，AO）有助于檢測(cè)用戶的運(yùn)動(dòng)意圖。東京農(nóng)工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究了動(dòng)作觀察的目標(biāo)對(duì)象（即參與者或其他人的手）是否影響想象運(yùn)動(dòng)時(shí)的大腦活動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，想象運(yùn)動(dòng)期間動(dòng)作觀察來自于受試者自己的手（MI+ownAO）所誘發(fā)的感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)alpha節(jié)律的事件相關(guān)去同步強(qiáng)于僅想象運(yùn)動(dòng)（MI）和想象運(yùn)動(dòng)期間動(dòng)作觀察來自于其他人的手（MI+otherAO）兩種情況。研究人員建議在具有動(dòng)作觀察的閉環(huán)腦機(jī)接口設(shè)計(jì)中應(yīng)該使用用戶自己肢體的視頻。

4新應(yīng)用

腦機(jī)接口技術(shù)除了在恢復(fù)感覺和運(yùn)動(dòng)功能以及治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病等方面可以發(fā)揮作用，也已經(jīng)開始在其他領(lǐng)域發(fā)揮價(jià)值。喚醒程度會(huì)影響個(gè)體的決策、判斷與行為。Yerkes-Dodson定律指出喚醒程度與任務(wù)執(zhí)行之間的關(guān)系是倒U形曲線關(guān)系，存在一種對(duì)于特定任務(wù)的行為執(zhí)行最佳的喚醒狀態(tài)。來自哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了可以使用基于腦電的反饋來改變個(gè)體的喚醒程度，從而使他們的任務(wù)表現(xiàn)顯著提高。這項(xiàng)工作展示了一個(gè)閉環(huán)的腦機(jī)接口，該系統(tǒng)基于腦電信號(hào)解碼器輸出的聽覺反饋信號(hào)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整個(gè)體在執(zhí)行boundary-avoidance任務(wù)時(shí)的喚醒程度，并根據(jù)Yerkes-Dodson定律提高任務(wù)執(zhí)行效率。該方法有望應(yīng)用于不同的任務(wù)或用于將自我調(diào)節(jié)作為目標(biāo)治療的臨床應(yīng)用。來自俄羅斯Neurobotics和莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)介紹了另外一種新穎的閉環(huán)腦機(jī)接口系統(tǒng)。該系統(tǒng)可利用受試者的腦電特征實(shí)時(shí)重建受試者觀察到的或想象的刺激圖像，并將重建的圖像作為視覺反饋呈現(xiàn)給受試者。所提出的技術(shù)可以通過將原始刺激替換為受試者的意念驅(qū)動(dòng)圖像重建模型，從而有望用于訓(xùn)練腦機(jī)接口的新用戶。腦活動(dòng)除了可以反映個(gè)體的意圖和狀態(tài)，也可以體現(xiàn)個(gè)體的特質(zhì)。2019年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用編碼調(diào)制的視覺誘發(fā)電位，實(shí)現(xiàn)了一套個(gè)體身份識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)在25名受試者的個(gè)體內(nèi)和跨個(gè)體識(shí)別中均獲得了較高的正確識(shí)別率。在個(gè)體內(nèi)情況，使用5.25 s腦電數(shù)據(jù)可獲得100%的最佳識(shí)別性能；在跨個(gè)體情況，使用10.5 s腦電數(shù)據(jù)可獲得99.43%的個(gè)體區(qū)分效果。該方法有望為個(gè)體身份識(shí)別提供基于腦電的解決方案。腦機(jī)接口也為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的通信和控制提供了潛在的工具。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用room-scale 虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔開發(fā)一個(gè)便攜式穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口。通過解決虛擬現(xiàn)實(shí)中刺激呈現(xiàn)和基于移動(dòng)腦電信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的問題，驗(yàn)證了腦機(jī)接口在移動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用潛力，并為利用移動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)用腦機(jī)接口提供了實(shí)驗(yàn)和方法的指導(dǎo)。而中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所及合作研究團(tuán)隊(duì)則將腦機(jī)接口技術(shù)引入數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)試（digit symbol substitution test，DSST）領(lǐng)域，構(gòu)建了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口的數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)。◆ ◆  ◆    發(fā)展趨勢(shì)與展望

1 高性能腦機(jī)接口

盡管近年來腦機(jī)接口在性能上獲得了較大的提高，但相比于自然的人機(jī)交互，目前腦機(jī)接口的通信速率仍較低，需進(jìn)一步大幅提高。

圖9顯示了各種模態(tài)的通信速率。與其他人機(jī)交互方法相比，低通信速率仍然是目前限制腦機(jī)接口應(yīng)用的最大障礙。通過腦信號(hào)解碼技術(shù)大幅提高腦機(jī)接口的通信速率，在大腦與機(jī)器之間建立高效的信息交流通道，是實(shí)現(xiàn)高性能腦機(jī)接口的關(guān)鍵。

圖9   各種模態(tài)下通信速率的比較

目前，如何使用先進(jìn)的算法與大腦進(jìn)行交互已經(jīng)引起腦機(jī)接口研究者的廣泛關(guān)注。在這方面，機(jī)器學(xué)習(xí)和量子計(jì)算等新工具將有助于腦機(jī)接口成為現(xiàn)實(shí)。而大規(guī)模、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集則有助于推動(dòng)解碼算法的發(fā)展。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口的BETA數(shù)據(jù)集（BEnchmark database toward application）。該研究具有領(lǐng)域內(nèi)迄今為止規(guī)模最大、測(cè)試基準(zhǔn)算法最全等特色，為個(gè)體水平的腦機(jī)接口性能評(píng)估梳理了信噪比與信息傳輸率的關(guān)系，為群體水平的腦機(jī)接口性能刻畫提出了腦機(jī)接口商（BCI quotient）的新指標(biāo)。該研究為今后面向真實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用的腦-機(jī)接口范式研究、算法開發(fā)提供了測(cè)試平臺(tái)，為大數(shù)據(jù)和人工智能趨勢(shì)下的新方法、新系統(tǒng)研究做好了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，世界機(jī)器人大賽-BCI腦控機(jī)器人大賽的平臺(tái)也極大地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口的算法水平。在2019世界機(jī)器人大賽-BCI腦控機(jī)器人大賽暨第三屆中國(guó)腦機(jī)接口比賽現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了691.55 bit/min的理想信息傳輸速率，創(chuàng)造了歷屆世界機(jī)器人大會(huì)腦控打字最高紀(jì)錄（圖10）。

圖10   2019世界機(jī)器人大賽-BCI腦控機(jī)器人大賽現(xiàn)場(chǎng)

腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展離不開領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者的共同努力，期待著后續(xù)更多跨研究組、跨高校的通力合作。

2雙向腦機(jī)接口

在腦機(jī)交互中，信息可以在兩個(gè)方向上傳播：“從腦到機(jī)”（將腦信號(hào)轉(zhuǎn)換成意圖運(yùn)動(dòng)指令）或“從機(jī)到腦”（將與外部環(huán)境交互的設(shè)備捕獲的感覺信息傳遞至大腦）。目前腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究仍以“從腦到機(jī)”為主，如在機(jī)械臂觸碰到物體后，受試者只能通過視覺來了解控制的結(jié)果。

近年來，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展為“從機(jī)到腦”提供了可能。調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)將是下一代腦機(jī)接口的重要組成部分，例如，為神經(jīng)修復(fù)運(yùn)動(dòng)控制提供觸覺。匹茲堡大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)展示了通過體感皮層的皮層內(nèi)微電刺激（intracortical microstimulation）來恢復(fù)觸覺感知反饋，使得具有雙向腦機(jī)接口的受試者能夠改善其在由神經(jīng)控制的假肢完成的功能性物體運(yùn)輸任務(wù)中的性能（圖11）。

圖11  雙向腦機(jī)接口系統(tǒng)

受試者在視覺反饋的基礎(chǔ)之上，結(jié)合微電刺激誘發(fā)的觸覺感知，能夠更快的完成任務(wù)。這些結(jié)果驗(yàn)證了觸覺在上肢控制中的重要性以及利用皮層內(nèi)微電刺激恢復(fù)信息流以創(chuàng)建雙向腦機(jī)接口的效用。

3信息安全

近年來，與健康相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越流行。一方面，用戶可以方便了解自身的健康狀況信息；另一方面，這些信息也面臨新的安全風(fēng)險(xiǎn)。

喬治·華盛頓大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)研究了家用腦電系統(tǒng)的安全性，發(fā)現(xiàn)NeuroSky App store中的156個(gè)腦機(jī)接口應(yīng)用程序都容易受到近程攻擊，而且31個(gè)免費(fèi)應(yīng)用程序都容易受到至少一種遠(yuǎn)程攻擊的攻擊。此外，該團(tuán)隊(duì)提出了一種聯(lián)合循環(huán)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)模型，能夠從NeuroSky腦電設(shè)備中竊取的精簡(jiǎn)特征的腦電數(shù)據(jù)推測(cè)用戶活動(dòng)，且推測(cè)精度可達(dá)70.55%。考慮到腦活動(dòng)的高度私密性和重要性，在實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口應(yīng)用的過程中，如何對(duì)腦活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效安全的管理并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是當(dāng)下科研界和產(chǎn)業(yè)界都必須深入思考的關(guān)鍵一環(huán)。
◆ ◆  ◆結(jié)論

2019—2020年，腦機(jī)接口技術(shù)在理論分析、硬件實(shí)現(xiàn)、算法改進(jìn)、場(chǎng)景應(yīng)用等方面均取得了階段性的研究進(jìn)展，對(duì)推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。

目前腦機(jī)接口仍主要局限于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。對(duì)于侵入式腦機(jī)接口而言，目前仍面臨著人體排異反應(yīng)及顱骨向外傳輸信息會(huì)減損這兩大問題；非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)則朝小型化、便攜化、可穿戴化及簡(jiǎn)單易用化方向發(fā)展，非侵入式的技術(shù)在應(yīng)用方面更有優(yōu)勢(shì)。隨著神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)接口和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，腦機(jī)接口領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)展。盡管目前而言，腦機(jī)接口技術(shù)仍未達(dá)到自然交互的溝通速度和準(zhǔn)確性，但是，隨著各國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)越來越重視，相信腦機(jī)接口技術(shù)的爆發(fā)未來可期。

（來源：科技導(dǎo)報(bào)公眾號(hào)）