科幻片中的“脑机接口”来了？意念控制机器臂、大脑直接联网

相信看过X-MAN（X战警）的人对里面的大光头都印象深刻吧？

不是这货！是我老帅老帅的X教授！

作为X战警中的灵魂人物，相信很多人对X教授脑袋上的装置一定印象深刻。轻松连接大网络，直接神游天外，想想都激动的不得了。要是能再像阿凡达一样，通过意识控制机械身体或者部分机体就更加科幻了！如果将其用在身有残疾的残障人士身上，那不就更加方便了么！简直是医学的一大进步！

然而，这个技术可能真的要从电影荧幕走到生活中了！关键就是——脑机接口。

Nature杂志发表了加州大学旧金山分校神经外科华裔教授Edward Chang及同事的一项最新成果，这是一种开发的一种通过解码与人类下颌、喉头、嘴唇和舌头动作相关的脑信号，并合成受试者想要表达的语音的解码器。随着这一文章的发表，我们离科幻作品中所描述的“机械人”、“合成人”等概念又近了一步。

正如名字中所透露的，脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)技术是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统，它可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。换言之，BCI系统可以代替正常外围神经和肌肉组织，实现人与计算机之间或人与外部环境之间的通信。^[1] 它形成于20世纪70年代^[2]，是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术。

注：马斯克对人工智能持悲观态度，认为人工智能只是一个过渡阶段，充分融合人工智能的人类智能才是智能的更高级形态，并于2017年3月成立脑机接口公司Neuralink，致力于用侵入式的方式获取大脑信息

现阶段BCI旨在服务于残疾人神经功能辅助和康复方面。患者失去了通过神经系统控制肢体完成相关动作的能力，利用BCI可直接将他们的想法传输到计算机进行解析，可以达到辅助患者完成生活中的基本需求的目的^[3]。或以解放双手为目的，追求实现不依赖人手的、非接触式的字符输入方式。以此为基石，我们将能实现以往科幻作品中所设想的种种可能，例如远程操作机器人、替换身体零部件等等。

原理上，BCI系统一般由输入、输出和信号处理及转换等功能环节组成。信号检测现在有电极内置式和电极外置式两种基本形式^[4]。电极内置式脑电波检测仅用于动物实验，在此仅讨论电极外置式BCI系统。信号分析和转换算法是BCI系统最为重要的研究内容。在这一过程中，如何筛选输入信号中的有用信息、如何对所输入的信号去除杂音、优化表达以及通过何种转换算法将其转换成控制信号或命令等是领域内的难点。

可以看到，该领域内的专利持有人以大学和研究机构为主，说明该技术领域发展新颖，离实现市场化尚有一定距离。但这并未掩盖巨大该领域商业价值，相关数据分析市场估值在$39,427,400到$22,134,200之间，但实际上可能远不止如此。

首先我们需要了解的是，由于技术所限，现阶段对脑补信号的收集多采用电极帽，通过对受试者施以合适的感官刺激，例如视觉或听觉等，测量其脑部电波信号变化，收集数据进行解析进行后续操作。现有技术多采用闪烁字符对用户进行视觉刺激，通过检测用户脑补信号峰值进而推断出目标字符的位置坐标。预期用户响应正确的情况下，在目标闪烁后越300ms左右可观察到P300正波峰值，由此反推300ms前用户所关注的目标。或通过稳态视觉诱发电位(SSVEP)字符输入定频闪烁的刺激界面，在刺激过程中，用户注视特定字符模块，通过观察用户头部枕区EEG信号所产生的与刺激频率相对应的SSVEP脑电电位，反推出视觉刺激的频率，进而确定用户所注视的目标字符。

在此我们选取以下三种技术改良方向进行介绍。

1.多种技术组合

有些技术改良将多种测量技术和手段结合在一起，取长补短，多维采集数据或多维分析数据，由此得到更为立体或更为精确的数据分析和操作。

例如CN102609090A中的采用脑电时频成分双重定位范式的快速字符输入方法，其步骤包括在进入字符输入阶段后，同时施加时域和频域的视觉刺激，在用户关注目标字符的同时，对实时采集的头皮脑电图(EEG)信号按时频成分SSVEP和P300将信道分成两组分别进行信号处理。由于该发明同时施加时间和频率的视觉刺激你，并将信号分开处理，因此能够提高目标识别准确率和字符输入速度。同时该发明设计了针对EEG信号频域成分与刺激频率相关性系数的门限值，这意味着系统可以判断出你什么时候在输入字符，什么时候是无意识的看字符。在这样的优化下，大多数用户在不经过大量训练的情况下即可达到较高的字符输入准确率。

CN103150023A同样将SSVEP和P300结合使用，提供一种基于脑机接口的光标控制系统及方法，但其不同之处在于将P300诱发电位刺激和SSVEP诱发电位视觉刺激以界面显示方式提供给使用者，屏幕左侧和右侧为SSVEP刺激，屏幕上方和下方为P300刺激，分别代表垂直方向和水平方向，进行光标控制。

CN103699226A则认为单一范式的BCI系统不足以支持用户完成日常生活中某一特定的任务和动作，现有的脑机接口设备利用单一类型的脑电信号操纵人机接口，导致应用范围较窄，公开了一种基于多信息融合的三模态串行脑机接口方法。其在处理数据时，依照顺序首先进入光标移动状态的判断，截取前2秒的脑电数据进行典型相关分析及咬合操作的判断。换言之，用户在使用该发明时不仅需要用自己的眼睛，同时还需要进行咬合动作，系统通过咬合动作持续的时间长短对信号输出进行识别。

CN104965584A选择将常见的SSVEP与缺省刺激电位(OSP)组合。OSP是重复性感官刺激的停止可以引起头皮电位的一系列模式特征，可以在视觉、听觉及感受领域中被找到。其中，快“OSP”只需要受试者对刺激进行盯视，不需要提供注意力。基于SSVEP与OSP的混合脑机接口方法，受试者穿戴好电极帽，将SSVEP-OSP混合范式通过计算机屏幕在受试者面前播放，通过采集系统将受试者盯视刺激目标时产生的脑电信号，经脑电采集仪放大、滤波及模数转换后，用电脑对数据进行相关分析后及时将识别结果显示在屏幕上以反馈给受试者，然后进行下一次识别。

2.改良数据采集

CN102184019A是一种基于隐性注意的视听联合刺激脑机接口方法。隐性注意(covert attention)是目前脑机接口领域较为前沿的一种刺激模式，区别于传统的视觉刺激模式，即现行注意(overt attention)，隐性注意不需要眼球的移动，通过注视特定刺激界面的固定点，利用潜意识“关注”目标的闪烁情况，当所关注的目标闪烁时即可诱发P300脑电特征信号。对于特殊残障人士，听觉刺激诱发模式提供了一种与外界交流的通道，声音中的频率特征和空间方位信息已经被广泛认为是最能够区别不同声音的有效成分。该发明的刺激界面是八个填充有不同颜色的圆圈以顺时针的方向位于中心十字的周围，声音刺激则采用二维方式，空间信息从左到右依次为左耳、双耳和右耳，频率特征则从上到下依次分布为1000Hz、500Hz和100Hz。对于八个圆中的任意一个圆，仅有一种颜色、声音刺激与之对应，八个圆圈随机闪烁，每次闪烁时间为200ms，间隔100ms。使用者在使用系统过程中，双眼需要始终注视刺激界面中间十字，根据操作人员的提示，利用隐性注意 “关注”目标。

该发明使用过程中不需要受试者进行眼部的运动，避免了由于某些疾病引起的不能利用视觉系统进行交流沟通的患者无法使用脑机接口的情况。但该发明自己也标注在进一步研究后可得到较为完善的脑机接口，然后有望投入市场获取社会和经济效益。

3.改良数据输出

CN103845137A中的发明名称为基于稳态视觉诱发脑机接口的机器人控制方法，其首先将实际采集得到的脑电信号通过带通滤波进行预处理，分析得到独立成分，然后用希尔伯特黄变换(HHT)对独立成分分解获得模态函数，最后进行频谱分析得到所需特征，将特征分类结果翻译成机器人能识别的信号，从而实现对机器人的实时控制。与现有技术相比，该发明具有传输率高、设备装置简单等优点，而且不需要做太多的训练工作，同时由于在特征提取过程中结合了独立成分分析(ICA)和希尔伯特黄变换，使特征提取更有效。在经过简单的训练后，重症瘫痪但脑功能正常的残疾人将可以控制机器人辅助他们进行日常生活。

CN104083258A中公开了一种基于脑机接口与自动驾驶技术的智能轮椅控制方法。其通过网络摄像头获取当前图片对障碍物实现定位，用户通过脑机接口选择目的地，系统将结合航迹点规划最优路径，计算轮椅当前位置于最优路径的位置差作为PID路径跟踪算法的反馈，并将里程数据转化为当前的角速度和线速度信息作为PID运动控制器的反馈，实时控制轮椅行驶至目的地。该发明通过引入自动驾驶精确的控制能力对不稳定的脑部信号进行了补足，利用传感器充分感知障碍物信息并自动导航，用户可以基于运动想象或者P300的脑机接口选择一个目的地。在轮椅行驶至目的地的过程中，用户能通过脑机接口发送停止命令。在整个操作过程中，用户的精神负担极大程度地被减轻。

CN101968715A的发明则让人想起应用于电脑或手机上的眼球追踪技术，眼球追踪技术使用户无需触摸屏幕即可反动页面，而该发明公开了一种基于脑机接口鼠标控制的网页浏览方法，基于运动想象和P300脑电电位控制鼠标在界面内移动至目标区域，并可切换为文本输入界面，具有控制速度快、精度高、效果好、工作稳定且可实现连续控制的优点。

看完以上的专利分析，大家是否会感到失望呢？人脑信号的复杂程度使得其识别和处理变得极为困难，想达到像科幻作品中描述的“身随心动”显然还有很多的工作要做。但我们也应该看到的是，脑机接口技术在短短数十年间发展迅速。2017年，Facebook宣布“意念打字”项目，希望未来能通弄过脑电波每分钟打100个字。人机共生的未来也许离我们没有想象中遥远。

责任编辑：Dr发明家

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[1] P R Kennedy, K D Adams. A decision tree for brain-computer interface devices[J]. IEEE Transaction on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2003, 11(2): 148-150.

[2] J R Wolpaw, N Birbaumer, D J McFarland. Brain-Computer interface for communication and control[J]. Clinical Neurophysiology, 2002, 113 (6): 767-791.

[3] Allision B, Graimann B, Graser A. Why use a BCI if you are healthy[C]. ACE Workshop-Brain-Computer Interfaces and Games, 2007: 7-11.

[4] D R Kipke, R J Vetter, J C Williams. Silicon-substrate intracortical microelectrode arrays for long-term recording of neuronal spike activity in cerebral cortex[J]. IEEE Transaction on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2003, 11(2): 151-154.

世界卒中日，远离“第一死因”你要知道这些！

10月29日是“世界卒中日”，《中国脑卒中防治报告（2015）》公布，卒中（也称中风）已成为我国第一位的死亡原因。秋冬时节，卒中最容易发生，全球每6秒脑卒中夺去一个生命，每年600万人死于脑卒中，3000万人因脑卒中而残疾。医学专家对卒中的研究也从未停止过，让我们一起来随专家了解一下十个你不可不知的卒中新发现。

绝经女性雌激素水平高卒中风险大

美国加州大学一项新研究发现，在绝经后女性中，雌激素水平较高(非接受激素替代治疗引起)者，发生卒中的风险较高。研究人员从上世纪80年代后期开始对9700多名绝经后(均未接受激素治疗)的健康白人女性进行了8年的随访，并分析了她们的病史和血液样本。通过将247名发生卒中的女性与243名无卒中发生的女性进行比较发现，雌二醇较高的女性发生卒中的风险是较低水平女性的2.3倍。

女性饮酒增脑卒中

日本大阪大学和日本国立癌症研究中心的研究小组以日本国内约4.7万名40至69岁的健康女性为对象，平均跟踪调查了17年，调查饮酒量与脑卒中和心肌梗塞等之间的关系。结果发现，与每个月只偶尔喝1至3次酒的女性相比，每天平均喝100至200毫升清酒或是喝1至2瓶啤酒的女性，患脑卒中的风险是前者的1.55倍。对每天平均喝200毫升以上清酒或2瓶以上啤酒的女性来说，这一数字则提高到2.3倍。此外，每天喝200毫升以上日本清酒或2瓶以上啤酒的女性，患脑卒中时脑出血的风险是偶尔喝酒女性的2.85倍。

孕妇太胖婴儿患脑卒中的风险增大

英国《小儿疾病文献》杂志刊登澳大利亚悉尼大学的一项新研究发现，母亲孕期体重超标或肥胖，其孩子一出生就会出现血管壁增厚，日后心脏病危险也将随之升高。研究人员调查了平均年龄为35岁的一组女性，这些女性在怀孕16周内体重指数从体重不达标到严重肥胖不等。研究人员在新生儿出生后7天内对其腹部大动脉进行了扫描检查。扫描结果显示，母亲孕期肥胖或体重超标的孩子比母亲体重正常的孩子血管壁更厚。

维生素D不足脑卒中风险增加

美国夏威夷大学约翰·伯恩斯医学院吉他若·柯继马博士及其团队研究了7385名居住在夏威夷的日裔美国成年男性，平均年龄45—68岁，根据他们摄入维生素D的多少分为四组，通过34年的长期跟踪研究，最后有960人新患脑卒中，研究人员在调整各种混杂因素后认为，摄入维生素D最少的男性比摄入最多者脑卒中风险高22%，其中缺血性脑卒中高27%，出血性脑卒中没有差异。这一研究结果发表在《美国心脏协会杂志》上。

乱用生长激素卒中风险大

据美国“健康日”网站报道，法国最新研究表明，儿童用生长激素增高，在成年早期发生卒中的风险更大。法国研究人员对7000名使用生长激素治疗的儿童进行长期跟踪，他们平均11岁时开始用生长激素治疗，疗程约四年。研究时他们已经成年，其中11例参加者发生卒中，8人属于出血性卒中，发病平均年龄24岁，4人死于卒中，相当于英国普通人群卒中发生率的3~7倍。

吃蕃茄有助降低卒中风险

芬兰的研究人员研究发现，最新一项研究显示，吃蕃茄或蕃茄制品可能有助于降低卒中的风险。研究结果刊登在《神经病学》杂志。东芬兰大学的研究人员对1031名芬兰男性进行了研究，这些男性的年龄介于46岁到65岁。研究人员定期跟踪他们血液中蕃茄红素浓度的变化，平均跟踪时间为12年。在研究期间，共有67名男性出现卒中。研究人员称，蕃茄中含有高浓度抗氧化成分“蕃茄红素”，血液中蕃茄红素含量较高的男性，卒中风险比血液中抗氧化剂含量较少的男性减少了55％；若是血块造成的缺血性卒中，蕃茄红素能让这种较常见卒中类型的风险降低更多，血液中蕃茄红素含量较高的男性，有缺血性卒中的可能性比含量较少的人低59％。

缺铁增加脑卒中风险

英国的一项最新研究发现，缺铁会导致血液黏稠度升高，大脑血管更容易发生栓塞，进而增加缺血性卒中患病风险。伦敦帝国理工学院国立心脏与肺脏研究所的科研人员对497名遗传性出血性毛细血管扩张症（HHT）患者进行了研究。研究人员通过验血检查了每位患者的铁水平，并统计了这些患者的脑卒中发病情况。结果发现，身体缺铁的患者罹患脑卒中危险明显增加。

少吃主食者患脑卒中风险高

发表在《英国医学杂志》上的哈佛大学公共卫生学院的最新研究成果发现，少吃主食者患脑卒中风险高。研究者查询拜访了4万多名30～49岁瑞典女性的饮食习惯发现，富含碳水化合物的主食吃得相对越少，肉蛋等富含蛋白质的食物吃得相对越多，心肌梗死和脑卒中的发病风险最高可达其他女性的1.6倍。

积极降脂可降低卒中发病率

美国圣佛朗西斯科总医院Waters医师等发现，与用小剂量（10 mg）阿托伐他汀相比，采用大剂量（80 mg）积极降血脂，可使致死性和非致死性脑血管事件降低23%，卒中降低25%。该研究对10001例稳定型冠心病病人进行脑血管事件的post-hoc分析（TNT研究）。病人随机分二组，分别用阿托伐他汀80 mg或10 mg，随访期约为5年。研究结果显示，低密度脂蛋白胆固醇每降低1 mg/dl，脑血管事件发病率降低0.6%。

锻炼时出汗可以降低脑卒中危险

美国《脑卒中》杂志刊登澳大利亚一项新研究发现，锻炼时出汗可以降低脑卒中危险。与每周进行4次中高强度运动(足以出汗)的人相比，不爱运动的人罹患脑卒中或小中风的危险会增加20%。新研究中，南澳大利亚大学健康科学专家米歇尔·麦克道尼尔博士及其同事对2.7万名年龄45岁以上的美国人进行了平均5.7年的跟踪调查。结果发现，只有坚持每周4次，以同样强度锻炼的男性脑卒中危险才会降低。