心动也能行动 探访人脑-电脑接口及应用

实验者尝试用脑波玩乒乓球游戏

你想过有一天你的意念可以指挥电脑鼠标吗？听起来像科幻小说？

最近欧美的专家们花费数年时间研究与开发的人脑-电脑接口就将实现人脑与电脑的直接对话。

在今年7月18日举行的Orga Techno 2007国际会议上，德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会和柏林科技大学的Klaus-Robert Müller 教授发表了他们关于人脑-电脑接口(BCI，Brain Computer Interface)的研究成果：只需思考便可操作机器，利用脑波玩游戏。该成果通过检测人的脑波，根据脑波的变化来操作机器。也就是说，只需让大脑思考，便可启动现实世界的机器。

在实验中，科学家们用脑电图记录脑电波活动情况，将电极与头皮关联，然后测量大脑的电子信号。信号被扩大后，传送到计算机上—计算机能够把信号转化成控制机器运行的命令。BCI成功的关键在于，大脑皮层的电波活动能够反映运动神经的意图，如手或脚运动之前的准备活动。BCI能够侦测到与运动相关的脑电图变化，然后利用这些信息作出反应。举例来说，在二选一的选择测试中，可设定当察觉左手有准备活动时即为第一选择，右手则为第二选择。通过这种方法，人们可以使用计算机和网络与人脑进行通信。

由德国教育部门和研究部门资助的BMBF工程，就曾为电脑辅助工作环境研发过脑电图驱动系统，它能够实现脑电波控制鼠标指针的操作。此外，精确制造的传感器在与大脑神经系统的某个部分建立稳定、可靠的联系后，可帮助人们研究大脑的功能机制，也可帮助神经麻痹或者神经受损的病人完全或者部分地恢复健康。目前，德国Fraunhofer FIRST协会和IDA研究小组已经合作完成了该项目。

根据人脑与机器的契合程度，BCI分为植入式、部分植入式和非植入式三种。


植入式BCI

植入式BCI研究主要是为了帮助视觉受损的人修复视力，为瘫痪病人提供新的身体机能。通过神经外科手术，科技人员将电子装置直接植入病人中枢神经的灰白质。由于直接接触了灰白质，植入的装置可以获得最精确的大脑神经信号。不过，信号质量也可能因为人体的排异反应和头骨的阻挡而受影响。

第二代设备使用了更加微妙的植入技术，能够更好地将压眼闪光连在一起形成视觉。大脑表面的每个电极在受到刺激时都会像天空中的恒星一样产生闪光，即所谓的压眼闪光。在哥伦比亚广播公司的节目中，主持人采访了盲人Jens Naumann。他应用了植入式视觉BCI，手术后，他虽未完全恢复视力，但却可以驾车沿着研究所的停车场四周慢速行进。

BCI装置还可帮助瘫痪的病人恢复活动能力，或提供机械手臂等设备来帮助他们活动。2005年，Tetraplegic Matt Nagle成为第一个使用BCI人造手的人，他利用含有96个电极的BrainGate来控制机械手的运动。BrainGate可以探测到瘫痪者的运动神经活动，并根据搜集到的神经活动信号驱动机器手臂、轮椅、计算机光标以及电视按键或者照明设备的开关。

部分植入式BCI

部分植入式BCI是将装置安放在大脑头骨之内、灰白质之外的区域。它降低了对脑神经造成损伤的风险，而且由于神经信号不会受到头骨的阻挡，因此能够产生良好的神经信号。

皮层脑电图(EGoG)使用的脑电图描记法与非植入式相同，将装有电极的塑胶垫放置于脑皮层之上、硬脑膜之下。2004年，圣路易斯华盛顿大学的Eric Leuthardt和Daniel Moran最先将ECoG技术用于人体试验。

关于光反应成像BCI装置的研究还处于理论阶段。该装置在颅骨内注入激光，激光作用在单个神经细胞上，并用一个独立的传感器监测神经细胞的反应。当激光照射神经细胞时，其光图像和波长都有轻微变化。这样，可以在少接触脑组织的情况下进行监测，从而降低了对脑组织造成损伤的风险。

非植入式BCI

与植入式BCI实验一样，非植入式BCI实验也在同步进行。少数志愿者通过强劲的肌肉灌输恢复了部分行动能力。非植入式BCI安装佩戴简便，但是从大脑神经元发射出来的信号经过颅骨的衰减和外界的干扰后，最终神经信号的质量会较差，也不容易确定信号来自大脑神经系统的具体位置。

通过脑动电流图(EEG)记录的脑电波，由于成本低廉、使用方便、易于携带且分辨能力高而成为了最具有研究潜力的非植入接口。但是该技术容易受到噪音干扰，且要求使用者要经过大量EEG的训练。例如，1995年，实验刚刚起步时，德国Tübingen大学的Niels Birbaumer教授曾使用EEG记录脑电波促使瘫痪的病人有限地控制电脑指针。当时，该实验共有10名病人，每个病人至少需要1小时练习用指针书写100个字符，结果导致实验过程相当漫长，单是训练就持续了好几个月。

随着电子神经网络的部署和使用，学习阶段从用户到计算机都有了转变。2004年Fraunhofer Society的科学家们进行了大量实验，使用神经网络将训练时间已经控制在30分钟之内了。


应用情况

1978年诞生了第一个直接植入人类大脑的视觉辅助装置—一个带有68个电极的阵列。它被植入一位成年的后天失明者，成功地使这位患者产生了光感。除了植入大脑的电极阵列，这套设备还包括一个安装在眼镜上的电视摄像机，负责向植入大脑的BCI传送视觉信号。

2001年，马太·纳格尔因为被袭击，导致脊髓严重受损，颈部以下身体部位全部瘫痪。2004年，他在罗德岛州医院接受先进的植入手术，在运动皮层上植入一个仿生传感器，即名为“脑大门”的4毫米硅片，并且将它与电脑、信号处理器和监控器相连，使他可以单凭思考便可以控制一些装置。这种硅片与一片婴儿服用的阿司匹林一般大小，有100个电极，每个电极比头发还细，但却可以灵敏探测大脑细胞的活动。电极在捕获到大脑信号后，传输至与电脑相连的硅片金属基座上，从而将他的思维转化为“行动”。

Cortex Gaming公司开发了一种看上去就像是一条头饰带的非植入式BCI，使用者通过头带便可以操作计算机。这种装置原来的目标是操作游戏机，但是后来被用于帮助残疾人通过计算机与外界沟通。这种技术最初用于美国空军的武器装备系统，实验表明，与传统的手动按键相比，这种装置可以将军用飞机驾驶员的操作反应速度提升15%。

科学家们预言，如果电脑与人脑接通，人们可以很快地掌握多种外国语言；可以用语言和思想意念来写文章；一切家务劳动只要想到，电脑都能给你安排做好；甚至看病也不需要医生了，只要你身体不适，电脑就能帮你检验血液、心脏等，并开出准确无误的药方。

链 接:BCI vs. 神经义肢技术

神经义肢技术(Neuroprosthetics)是和神经义肢相关的神经科学—使用人造装置代替受伤的神经系统或者感觉器官。目前应用最广泛的是人工耳蜗。截至2006年，已经有大约10万人实施了耳蜗植入手术。还有的设备是为了修复人类的视力，如人造视网膜，但它只能把视觉信号直接传输给大脑。

BCI和神经义肢技术的差异体现在字面上，神经义肢技术将神经系统和人造设备连接起来，而BCI连接的则是大脑(或神经系统)与电脑系统。实际上，神经义肢可以连接神经系统的其他部分，如外围神经；而BCI仅限于与中心神经系统的连接。

在有的情况下，这两个术语也可以互换。不管是神经义肢技术还是BCI，其目的都是类似的，例如修复视觉、听觉、运动能力、通信能力等，甚至还有认知功能。另外，它们都使用了基于实验的方法和外科手术技术。