① 什么是脑机接口
脑机接口
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脑机接口模式
脑机接口是在人脑与计算机或其他电子设备之间建立直接的交流和控制的通道。近年来,随着神经科学、信息科学、材料科学等领域的快速发展,衍生出了一种新型的高科技技术——脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)。通过BCI技术能够在生物大脑与外部机械设备之间建立起一条直接的信息交流通道,从而实现了脑与外部环境的直接交互。
中文名脑机接口缩写BCI 英文名Brain Computer Interfaces
目录编辑
1脑机接口的定义
2脑机接口的研究分类
3脑机接口的发展
4参考文献
1脑机接口的定义编辑
脑机接口技术（Brain Computer Interface，BCI）形成于 20 世纪 70 年代，是一门涉及神经学科、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术，它通过非自然的方法沟通大脑和外界环境，为它们提供了双向信息传输通道。外界信息能从仿生传感器输入到神经系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项技术可以修复、改善甚至扩展神经系统原有功能，提供一种崭新的信息交互模式，如上图所示。1999年6月第一届国际脑机接口会议首次给出BCI明确的定义:“脑机接口是一个在大脑和外界(计算机或者其他设备及外部环境)之间传递信息的通讯系统,该系统的特点是不依赖于外围神经系统和肌肉组成的大脑正常输入输出通道来传递信息”[1]。
2脑机接口的研究分类编辑
根据脑机接口中的生物大脑与外部机械设备的信息传递方向的不同,可以将脑机接口的研究划分为两个方向:第一个方向是通过电极采集生物大脑中的神经信号,并对神经信号采取放大、约简、降维等操作,然后结合生物本身的运动行为数据对神经信号进行分析,解码生物的运动意图,继而将解码的结果转换成外部机械设备的控制指令,完成控制功能[2]，即“脑-机”方向。另一个方向是反向的信息传递过程,即指通过生物体的外周神经系统,将外部设备的数据信号转换成电刺激、光刺激等不同方式的刺激手段直接作用于大脑皮层,诱发相关脑功能区细胞的神经元发放,从而使生物体产生特定的感受或者诱发其特定的行为,即“机-脑”方向。
3脑机接口的发展编辑
随着神经生物学、临床医学、材料科学和计算机科学等的发展，脑机接口技术为神经系统和周围环境的信息通讯提供了一个崭新的交互界面，并广泛应用于神经科学，医学康复和军事等领域[3]。
BCI 应用的最初定位是医疗康复，通过 BCI 系统为高度瘫痪或者行动不便的病人提供一个新的交流、控制手段。病人可以通过 BCI 系统在计算机上进行打字，或者控制轮椅行动，甚至控制假肢帮助移动和抓取。当一个机器人前进过程中遇到障碍时，需要设计程序控制机器人跨过或跳过。而对于植入电极的动物，遇到沟时本能地会跃过它。在掌握动物大脑原理的基础上，利用生物本身所具有的智能，结合人为的输入控制，相比较于机器人，从成本和技术上都更具有优势[4]。
上世纪 90 年代末以来，全球 BCI 研究团队数量增长迅猛，从 1995 年的不到 6 个，迅速发展到目前的数以百计。2002 年美国国防部国防预先研究计划局投入巨资，在全美 6 个实验室中开展“意念控制机器”的研究工作，进一步推动了全球 BCI 的研究热潮。诸多标志性研究成果在《Nature》和《Science》上先后发表，预示着 BCI 的研究进入了实质性阶段[5]。
近年来，随着医学技术和材料科学的进步，植入式电极在脑机接口技术中的研究取得了突破性的进展。当前BCI的研究热点包括：
1. BCI 系统的自适应性，更好的自适应性能够提高系统的准确率、稳定性；
2. 系统的实用性，像打字机这样的应用系统能够改进到投入实际应用；
3. 系统的通用性，不同的用户拥有不同的头皮脑电信号，可行的方案是对应不同的用户调整参数从而优化系统性能；
4. 系统的应用领域，有些研究人员通过 EEG 信号来研究大脑的工作原理，也有应用于特殊场合的，如研究司机驾驶时候的头皮脑电信号。