脑机接口技术

脑机接口，指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。这一概念其实早已有之，但直到上世纪九十年代以后，才开始有阶段性成果出现。

脑机接口技术

• 人的大脑
  • 最重要部位——皮质层
    • 处理听觉、视觉及感觉信息，同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面
  • 皮层细胞
    • 存在着频繁的自发电活动，无需任何外界刺激。从脑电极记录到的电位是对脑部大量神经元活动的反应，低至微伏级，这种电活动的电位随时间的波动称为脑电波(EEG)
• 定义
  • 在人或动物脑与外部设备间创建的用于信息交换的连接通路
  • 它是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术
• 实现(做了哪些部分)
  • 总的实现流程(涉及到模电，数电)
    • 通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号经过放大、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制
  • 信号采集部分
    • 采集方式
      • 侵入式
        • 通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层
      • 非侵入式
        • 通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录和解读
      • 半侵入式
        • 将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外
    • 采集标准
      • 规模
        • 可以记录多少神经元
      • 分辨率
        • 这个工具接收到的信息的细致程度
          • 空间上的分辨率（能否细致记录单个神经元的触发情况）
          • 间上的分辨率（能否确定你所记录的活动的确切发生时间）
      • 侵入性
        • 是否需要手术？如果需要，手术的影响范围有多大？
  • 信息分析部分
    • 先解码
      • 一般会有脑电图（EGG），皮层脑电图（ECoG）等模型可以协助分析
    • 再编码
      • 将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号
• 基于脑电波(EEG)的脑机接口研究方法(深奥)
  • 脑神经信号的产生
    • P300 (诱发电位)
    • 视觉诱发电位(诱发电位)
    • 时间相关同步或时间相关去同步电位(自发脑电)
      • 单边的肢体运动或想象运动，大脑同侧产生事件相关同步电位( ERS) ，大脑对侧产生时间相关去同步电位( ERD)。ERS、ERD是与运动相关的,主要位于感觉运动皮层
    • 皮层慢电位(自发脑电)
    • 自发脑电信号(自发脑电)
  • 特征提取
    • 常用的特征提取的算法如:：FFT ( Fast Fourier Transform Algorithm)、相关性分析、AR (Auto Regression)、参数估计、CSP ( Common Spatial Patterns)、Butter2worth低通滤波、遗传算法等。算法的选择与所利用的信号特征及电极位置有关
  • 转换方法
    • 信号处理的目标是最终从信号中识别出使用者的意图并执行，系统的首要任务就是最大化。信噪比，尤其是当噪声和信号极为相似的时候就显得更为重要。提高信噪比的技术有很多，具体有空间及时间滤波方法、信号平均以及单次识别方法。BCI转换算法把信号特征(如节律幅值或神经元放电率)转换为具体的控制命令
• 未来展望
  • 目前，主流的消费级脑机接口研究主要运用非侵入式的脑电技术，尽管相对侵入式技术容易获得分辨率更高的信号，但风险和成本依然很高。不过，随着人才、资本的大量涌入，非侵入式脑电技术势必将往小型化、便携化、可穿戴化及简单易用化方向发展
• 面临的挑战(我们有哪些不足)
  • 数量庞大且复杂的神经元
    • 皮质里面有大约 200 亿个活跃的神经元。每个细胞体会伸出许多扭曲分岔的树突，而从神经元细胞体另一端伸出来的长长的轴突
  • 信号采集和处理方法需改进
    • 脑电信号采集过程中，夹杂着不少干扰成分，如肌信号干扰等，因此设计抗干扰能力强的脑电信号采集设备等问题有待解决；如何改善信号处理方法使之系统化、通用化，从而快速、精确、有效地设计出实用BCI 系统的问题也有待研究
  • 缺乏能对BCI 系统的性能进行科学评价的评价标准
    • 作为一种新兴的、复杂的、涉及多学科的通信技术，BCI 的发展还很不完善，存在的问题还很多，有待于科研工作者们下大气力研究解决
• 应用与市场前景
  • 医疗健康
    • 强化
      • 主要是指将芯片植入大脑，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接
    • 恢复
      • 主要是指对多动症、中风、癫痫等疾病及残障人士做对应的恢复训练
  • 娱乐
    • 虚拟现实技术
  • 教育
    • 和医疗方向中的“恢复”方向会有些接近
  • 智能家居
    • 智能家居是脑机接口与IoT（物联网）跨领域结合的一大想象空间。在这一领域，脑机接口扮演的角色类似于“遥控器”，帮助人们用意念控制开关灯、开关门、开关窗帘等，进一步可以控制家庭服务机器人
  • 军事