① 什麼是腦機介面
腦機介面
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腦機介面模式
腦機介面是在人腦與計算機或其他電子設備之間建立直接的交流和控制的通道。近年來,隨著神經科學、信息科學、材料科學等領域的快速發展,衍生出了一種新型的高科技技術——腦機介面(Brain Computer Interface, BCI)。通過BCI技術能夠在生物大腦與外部機械設備之間建立起一條直接的信息交流通道,從而實現了腦與外部環境的直接交互。
中文名腦機介面縮寫BCI 英文名Brain Computer Interfaces
目錄編輯
1腦機介面的定義
2腦機介面的研究分類
3腦機介面的發展
4參考文獻
1腦機介面的定義編輯
腦機介面技術（Brain Computer Interface，BCI）形成於 20 世紀 70 年代，是一門涉及神經學科、信號檢測、信號處理、模式識別等多學科的交叉技術，它通過非自然的方法溝通大腦和外界環境，為它們提供了雙向信息傳輸通道。外界信息能從仿生感測器輸入到神經系統，神經信號也可以用於控制外部電子機械裝置。該項技術可以修復、改善甚至擴展神經系統原有功能，提供一種嶄新的信息交互模式，如上圖所示。1999年6月第一屆國際腦機介面會議首次給出BCI明確的定義:「腦機介面是一個在大腦和外界(計算機或者其他設備及外部環境)之間傳遞信息的通訊系統,該系統的特點是不依賴於外圍神經系統和肌肉組成的大腦正常輸入輸出通道來傳遞信息」[1]。
2腦機介面的研究分類編輯
根據腦機介面中的生物大腦與外部機械設備的信息傳遞方向的不同,可以將腦機介面的研究劃分為兩個方向:第一個方向是通過電極採集生物大腦中的神經信號,並對神經信號採取放大、約簡、降維等操作,然後結合生物本身的運動行為數據對神經信號進行分析,解碼生物的運動意圖,繼而將解碼的結果轉換成外部機械設備的控制指令,完成控制功能[2]，即「腦-機」方向。另一個方向是反向的信息傳遞過程,即指通過生物體的外周神經系統,將外部設備的數據信號轉換成電刺激、光刺激等不同方式的刺激手段直接作用於大腦皮層,誘發相關腦功能區細胞的神經元發放,從而使生物體產生特定的感受或者誘發其特定的行為,即「機-腦」方向。
3腦機介面的發展編輯
隨著神經生物學、臨床醫學、材料科學和計算機科學等的發展，腦機介面技術為神經系統和周圍環境的信息通訊提供了一個嶄新的交互界面，並廣泛應用於神經科學，醫學康復和軍事等領域[3]。
BCI 應用的最初定位是醫療康復，通過 BCI 系統為高度癱瘓或者行動不便的病人提供一個新的交流、控制手段。病人可以通過 BCI 系統在計算機上進行打字，或者控制輪椅行動，甚至控制假肢幫助移動和抓取。當一個機器人前進過程中遇到障礙時，需要設計程序控制機器人跨過或跳過。而對於植入電極的動物，遇到溝時本能地會躍過它。在掌握動物大腦原理的基礎上，利用生物本身所具有的智能，結合人為的輸入控制，相比較於機器人，從成本和技術上都更具有優勢[4]。
上世紀 90 年代末以來，全球 BCI 研究團隊數量增長迅猛，從 1995 年的不到 6 個，迅速發展到目前的數以百計。2002 年美國國防部國防預先研究計劃局投入巨資，在全美 6 個實驗室中開展「意念控制機器」的研究工作，進一步推動了全球 BCI 的研究熱潮。諸多標志性研究成果在《Nature》和《Science》上先後發表，預示著 BCI 的研究進入了實質性階段[5]。
近年來，隨著醫學技術和材料科學的進步，植入式電極在腦機介面技術中的研究取得了突破性的進展。當前BCI的研究熱點包括：
1. BCI 系統的自適應性，更好的自適應性能夠提高系統的准確率、穩定性；
2. 系統的實用性，像打字機這樣的應用系統能夠改進到投入實際應用；
3. 系統的通用性，不同的用戶擁有不同的頭皮腦電信號，可行的方案是對應不同的用戶調整參數從而優化系統性能；
4. 系統的應用領域，有些研究人員通過 EEG 信號來研究大腦的工作原理，也有應用於特殊場合的，如研究司機駕駛時候的頭皮腦電信號。