一、前言

通過在腦後插入一根线纜，我們就能夠暢遊計算機世界；只需一個意念我們就能改變“現實”；學習知識不再需要通過書本、視頻等媒介，也不需要在花費大量的時間，只需直接將知識傳輸到大腦當中即可。這是1999年上映的經典科幻片《黑客帝國》當中，爲我們描繪的畫面。這並非是天馬行空的幻想，而是基於早已有之的“腦機接口”技術的的合理設想。

7月17日，Space X及特斯拉創始人埃隆馬斯克召开發布會，宣布成立兩年的腦機接口（BCI）公司Neuralink的腦機接口技術獲重大突破，他們已經找到了高效實現腦機接口的方法。這實際上是一套腦機接口系統：利用一台神經手術機器人向人腦中植入數十根直徑只有4-6微米的“线”以及專有技術芯片和信息條，然後可以直接通過USB－C接口讀取大腦信號。與以前的技術相比，新技術對大腦的損傷更小，傳輸的數據也更多。

Neuralink的最新技術成果的公布，也徹底引爆了外界對於“腦機接口”技術的關注。

而除了Neuralink的“侵入式”腦機接口技術之外，“非侵入式”腦機接口技術也迎來了新的突破。7月30日，Facebook一直資助的加州大學舊金山分校（UCSF）的腦機接口技術研究團隊，首次證明可以從大腦活動中提取人類說出某個詞匯的深層含義，並將提取內容迅速轉換成文本。

毫無疑問，腦機接口技術將是未來推動社會發展的一項極爲重要的關鍵技術。但是腦機接口技術並不現在才有的，在此之前已經發展了數十年的時間。正如Neralink總裁Max Hodak在當天發布會上所說，“Neuralink並不是憑空產生，在這以前的學術研究已經有了很長的歷史，從很大意義上來說，我們是站在了巨人的肩膀上。”


二、關於人的大腦


在介紹腦機接口之前，我們非常有必要來了解一下人的大腦。
人類頭部最外層是頭發，頭發下面是頭皮，然後你以爲接下來就到顱骨了——但其實中間還有大概 19 層東西才到顱骨。

在你的顱骨和大腦之間，又有這樣一堆的東西（如下圖），在顱骨下面，大腦被三層薄膜包裹着，它們分別是硬腦膜、蛛網膜、軟腦膜。

作爲整個大腦最重要的部位，大腦的皮質層幾乎無所不能——它負責處理聽覺、視覺及感覺信息，同時還掌管着語言、運動、思考、計劃、性格等諸多方面。

整個大腦皮質層每個部位所做的東西都很多，而且彼此之間存在大量重疊的功能，不過我們可以簡單概括爲如下這張圖：

所以不同類型的腦機接口需要獲取不同區域的大腦皮質層發出的信號。


三、什么是腦機接口技術？

腦機接口（Brain-Computer Interface， BCI）：它是在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與計算機或其他電子設備之間建立的不依賴於常規大腦信息輸出通路(外周神經和肌肉組織)的一種全新通訊和控制技術。

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在該定義中，“腦”意指有機生命形式的腦或神經系統，而並非僅僅是“mind”（抽象的心智）。“機”意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到硅芯片到外部設備和輪椅。“接口” = “用於信息交換的中介物”。

“腦機接口”的定義=“腦”+機“+”接口”。即，在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間創建的用於信息交換的連接通路。

腦機接口作爲當前神經工程領域中最活躍的研究方向之一，在生物醫學、神經康復和智能機器人等領域具有重要的研究意義和巨大的應用潛力，近10年來，腦機接口技術得到了長足的進步和飛速的發展，應用領域也在逐漸擴大。


四、腦機接口技術的實現

腦機接口技術是通過信號採集設備從大腦皮層採集腦電信號經過放大、濾波、A/D轉換等處理轉換爲可以被計算機識別的信號，然後對信號進行預處理，提取特徵信號，再利用這些特徵進行模式識別，最後轉化爲控制外部設備的具體指令，實現對外部設備的控制。

一個典型的腦機接口系統主要包含4個組成部分：信號採集部分、信號處理部分、控制設備部分和反饋環節。其中，信號處理部分包括預處理、特徵提取、特徵分類3個環節。

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1、信息採集

從目前的研究水平來看，我們在評估某種信息採集手段優劣時需要考慮三個方面的標准：

規模——可以記錄多少神經元。


分辨率——這個工具接收到的信息的細致程度。這裏所說的分辨度可以分成兩種：空間上的分辨率（能否細致記錄單個神經元的觸發情況）和時間上的分辨率（能否確定你所記錄的活動的確切發生時間）。

侵入性——是否需要手術？如果需要，手術的影響範圍有多大？

而腦機接口的分類，則通常是根據“侵入性”被分爲：非侵入式（腦外）、侵入式和半侵入式。

（如上圖，不同的接口類型所獲得的信號強度有很大差異）


非侵入式：是指無需通過侵入大腦，只需通過附着在頭皮上的穿戴設備來對大腦信息進行記錄何解讀。這種技術雖然避免了昂貴和危險的手術，但是由於顱骨對於大腦信號的衰減作用，以及對於神經元發出的電磁波的分散和模糊效應，使得記錄到的信號強度和分辨率並不高，很難確定發出信號的腦區或者相關的單個神經元的放電。

侵入式：是指通過手術等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質量的神經信號，但是卻存在着較高的安全風險和成本。另外，由於異物侵入，可能會引發免疫反應和愈傷組織（疤痕組織），導致電極信號質量衰退甚至是消失。另外傷口也易出現難以愈合及炎症反應。

半侵入式：即將腦機接口植入到顱腔內，但是在大腦皮層之外。主要基於皮層腦電圖（ECoG）進行信息分析。雖然其獲得的信號強度及分辨率弱於侵入式，但是卻優於非侵入式，同時可以進一步降低免疫反應和愈傷組織的幾率。

典型的非侵入式系統有腦電圖（EGG），腦電圖是有潛力的非侵入式腦機接口的主要信息分析技術之一，這主要是因爲該技術良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。

（腦電圖設備）

但是，腦電圖技術的一個問題是它對噪聲的敏感；另一個使用EEG作爲腦機接口的現實障礙是用戶在工作之前要進行大量的訓練。


2、信息分析

收集好了足夠多的信息後，就要進行信號的解碼和再編碼以處理幹擾。腦電信號採集過程中的幹擾有很多，如工頻幹擾、眼動僞跡、環境中的其他電磁幹擾等。

分析模型是信息解碼環節的關鍵，根據採集方式的不同，一般會有腦電圖（EGG），皮層腦電圖（ECoG）等模型可以協助分析。

信號處理、分析及特徵提取的方法包括去噪濾波、P300信號分析、小波分析+奇異值分解等。

3、再編碼

將分析後的信息進行編碼，如何編碼取決於希望做成的事情。比如控制機械臂拿起咖啡杯給自己喝咖啡，就需要編碼成機械臂的運動信號，在復雜三維環境中准確控制物體的移動軌跡及力量控制都非常的復雜。

但編碼形式也可以多種多樣，這也是腦機接口可以幾乎和任何工科學科去結合的原因。最復雜的情況包括輸出到其他生物體上，比如小白鼠身上，控制它的行爲方式。

4、反饋

獲得環境反饋信息後再作用於大腦也非常復雜。人類通過感知能力感受環境並且傳遞給大腦進行反饋，感知包括視覺、觸覺、聽覺、嗅覺和味覺等等。

腦機接口要實現這一步其實是非常復雜的，包括多模態感知的混合解析也是難點，因爲反饋給大腦的過程可能不兼容。


五、基於EEG的腦機接口研究方法

人和動物的大腦,特別是皮層細胞，存在着頻繁的自發電活動，無需任何外界刺激。從腦電極記錄到的電位是對腦部大量神經元活動的反應，低至微伏級，這種電活動的電位隨時間的波動稱爲腦電波(EEG) 。

EEG反應了大腦組織的電活動及大腦的功能狀態，腦的復雜活動反應在頭皮上的電位活動就是EEG軌跡 。所以理論上，人的意圖通過腦電應該可以被探測識別出來。

BCI的先驅曾經指出“在理論上，腦的感覺、運動及認知意識在自發EEG中應該是可辨識的”，因此EEG成爲BCI研究中的常見工具。BCI技術就是要通過識別

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