-非法字符-多動癥[不是非法字符的符號]

?展廳里有不同的展位，清華的“依據(jù)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)（SSVEP）”的腦機接口打字體系的迎客超模十分吸引人。

撰文 | 蔣海宇

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣日子 ID：The-Intellectual

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“您去把頭洗了?！弊鳂I(yè)人員給我遞來一張毛巾，一小袋洗發(fā)露。

他不叫托尼，我也不是要做發(fā)型。我在2018年國際機器人大會上的腦機接口展廳里，想要親身測驗一下腦機接口終究是怎么回事。

作業(yè)人員的名字叫楊晨，是清華大學腦機接口研討組的一名博士生。這個研討組期望能經(jīng)過這套打字體系協(xié)助全身癱瘓的漸凍人表達心里的主意，和外界溝通?！跋搭^可以去除頭油，讓腦電信號傳導四通八達，也讓設備接納到的腦電信號愈加潔凈。”楊晨解釋道。

我洗完頭，吹干頭發(fā)，戴上腦電帽。楊晨像動畫里的怪博士，拿著針管，從桌上抽出半管子凝膠，向我走來?！斑@是腦電膠，我要把它注入腦電帽的電極，讓你的頭皮和電極間的傳導性更好?！边@和讓我洗頭的原因差不多，都是為了加強導電性。腦電信號一般只需幾微伏到幾百微伏，電壓強度大約只需一節(jié)五號電池的一百萬分之一。

腦電帽本身不發(fā)生電波，它僅僅一個信號接納器。腦電信號接納后，還需經(jīng)過一個信號擴大器擴大信號，并進行數(shù)字化編碼，咱們才干得到可以被核算機處理的數(shù)據(jù)信息。腦電帽后邊那長長的辮子，便是用來傳輸信號的。

?一個正在經(jīng)過SSVEP腦機接口打字的小男孩。在圖片偏左方位，是與腦電帽電線相連的腦電信號擴大器，擴大器經(jīng)過另一根電線將擴大后的信號傳輸給體系。

現(xiàn)在干流的腦機接口都會用上腦電帽和信號擴大器。不過，也有一種腦機接口，它不運用腦電帽，而是直接將電極穿過顱骨直插大腦皮層外表，乃至直接插入皮層之下。這種腦機接口會對大腦形成必定程度的損害，不過也可以取得愈加豐厚的腦活動信息。

區(qū)別不同腦機接口體系的，首要是腦機接口的完結辦法，以及腦機接口體系的用處。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)（SSVEP）是清華大學團隊的腦機接口完結辦法。腦機接口體系除了打字，還可以用于操控仿生外骨骼行走，或許操控人工手。

那么，SSVEP終究是什么？又是怎么完結打字的呢？

要了解SSVEP的原理，讓咱們先看看楊晨地點團隊運用的打字界面。

?體系界面上，不同的字幕方塊正以不同的頻率閃耀著。幾秒后，文字框呈現(xiàn)了字母“d”。

這個體系界面便是一個虛擬鍵盤，由三十個不斷閃耀的方塊組成。鍵盤上方是一個文字框。當我要輸入字母“d”時，我需求盯著方塊“d”看，不過一瞬間，“d”便呈現(xiàn)在了文字框中。假如我還有耐性打下一個字母，我就再把目光會集到另一個字母方塊上，直到字母呈現(xiàn)。

打字機是怎么讀懂我的需求呢？

楊晨告訴我，當人的視覺體系接納到固定頻率的影響時，大腦皮層視覺區(qū)上會發(fā)生一個相應頻率的電位。鍵盤上的每一個影響方針都有自己的閃耀頻率（他們由研討人員在一開端設定好），因而當咱們看字母方塊“d”時，視網(wǎng)膜會快速跟從對應的閃耀頻率，并發(fā)生的相應電位，會不同于咱們看其他字母方塊時發(fā)生的電位。視網(wǎng)膜上的電位會傳遞到咱們的大腦枕區(qū)（也便是后腦勺）。經(jīng)過辨認枕區(qū)的電位，體系便能知曉運用者在盯著哪個方針看。

現(xiàn)在，現(xiàn)有腦機接口體系解碼腦電信號首要運用傳統(tǒng)的信號處理手法，而不是機器學習這樣的人工智能手法。傳統(tǒng)的信號處理手法需求研制人員自己樹立數(shù)學模型，而機器學習則是讓體系經(jīng)過學習已有樣本的特征，自行樹立數(shù)學模型。

“咱們先樹立腦電信號的根本數(shù)學模型，然后再經(jīng)過實踐腦電信號對模型中的參數(shù)進行估量，最終依據(jù)得到的模型核算對不同的假定進行查驗。在這個有30個字母方塊的打字體系里，咱們可以樹立30種假定，別離假定用戶在看a，b，c等等。之后，咱們經(jīng)過危險貝葉斯決議計劃，就可以判別哪一種假定建立的概率最高。”楊晨解釋道。

楊晨說他們并不是不想運用機器學習，而是因為機器學習要求許多且標準的樣本，但現(xiàn)在腦機接口研討范疇尚不具有這樣的條件。機器學習要求樣本集可以掩蓋不同形狀的樣本，可是人與人的腦電信號差異很大，一個人在不同時刻的腦電信號差異也很大。所以，以現(xiàn)在的樣本量，機器學習的作用還不如傳統(tǒng)手法。

經(jīng)過SSVEP腦機接口，我大約需求3秒才干打出一個字符。有的時分，因為遭到環(huán)境和身體肌電的影響，或許因為我注意力不會集，導致體系辨認過錯，我還需求退格重打，讓人十分懊喪。怎么使體系辨認更快，準確率更高，也是各研討機構的首要作業(yè)方向。

運用SSVEP時，長時刻的光閃耀影響簡單形成運用者視覺疲憊，從而影響腦機接口的辨認準確度。因而，西安交通大學醫(yī)工穿插研討所的徐光華教授團隊提出了一種新的影響范式，經(jīng)過圖畫的運動（比方牛頓環(huán)和棋盤格）影響視網(wǎng)膜，而非明暗的改變。這種影響范式的實踐運用作用仍然在進一步研討之中。

?牛頓環(huán)和棋盤格，兩種靠圖畫運動影響視網(wǎng)膜的腦機接口完結范式（來歷：西安交通大學醫(yī)工穿插研討所 徐光華教授團隊）。

除了改進范式，改進算法也能提高辨認準確率。現(xiàn)在來說，大部分SSVEP體系都選用“固定時刻窗”，也便是說在必定時刻今后，體系無論怎么都要對運用者所看方針做出判別，即便當時供判別的信息不行。假如算法可以針對不同人，依據(jù)不同狀況，彈性“時刻窗”，那么體系的準確率就或許得到提高。上一年，清華大學團隊開宣布了一套包括40個方針的動態(tài)窗腦機接口體系（Yang et al. 2018）。在無需練習數(shù)據(jù)的條件下，可以完結在均勻2.5秒左右的時刻里完結90%以上的均勻辨認正確率。

2017年，加州大學圣地亞哥分校的正樹中西（Masaki Nakanishi）研討組更進一步提高了運用腦機接口打字的速度。他們經(jīng)過使命相關組成部分剖析（Task-related component analysis），將打字速度提高到75個字符每分鐘（Nakanishi et al. 2017）。該辦法首要經(jīng)過引導運用者在短時刻內(nèi)去凝視不同的方針，對解碼體系進行練習。練習完結后，運用者方能自在打字。為了提高打字速度，體系留給運用者的“時刻窗”十分短，只需0.8秒，也便是說運用者需求在極短的時刻內(nèi)不斷互換自己凝視的方針。

正樹中西團隊的這種腦機接口運用的是固定的時刻窗，所以它要求運用者緊緊跟從核算機的腳步。當核算機宣布提示“開端凝視屏幕！”，人們就必須馬上將目光確定在想輸入的文字上。假如人們沒有跟上核算機的節(jié)奏，或許注意力不會集，核算機就會很硬塞給人們一個成果，哪怕這個時分人們并不期望輸入任何指令。

與運用固定時刻窗的體系不同，動態(tài)時刻窗更以人為本。楊晨說，“經(jīng)過動態(tài)時刻窗，人們不用在核算機指定的時刻輸入指令，而是可以按照自己的主意，在需求的時刻發(fā)送指令。運用固態(tài)窗的體系就像外語聽力考試，咱們必須在規(guī)則的時刻內(nèi)給出自己的挑選；而動態(tài)窗體系則像鍵盤，讓咱們能在任何需求的時分自在地按下按鍵。”

SSVEP僅僅腦機接口的一種完結辦法。這兒咱們再介紹另一種干流完結辦法：運動幻想。

經(jīng)過上面的描繪，咱們可以看到，SSVEP是經(jīng)過“誘發(fā)”的方法得以完結：不同的閃耀頻率或許運動圖畫讓我的大腦發(fā)生了不同的腦電信號，而這些差異的腦電信號正好表征著某個方針。依據(jù)運動幻想的腦機接口則無需外界觸發(fā)，運用者只需求自發(fā)性地幻想。

咱們拿遙控車來舉個比方。怎么用思維操控遙控小車運轉呢？依據(jù)運動幻想的腦機接口不是說我想讓小車往左小車就往左，讓小車往右小車就會往右。運動幻想不是關于方針運動的幻想——而是關于運用者本身的幻想。

當咱們幻想自己左手動（左手不需求真的運動）時，咱們大腦的運動相關區(qū)域就會發(fā)生相應的腦電信號。當咱們幻想自己右手動時，大腦的相關區(qū)域則會發(fā)生另一種腦電信號。因為這兩種腦電信號有特異性，咱們便能運用他們操控小車：研討人員可以把體系設置成“一旦體系接納到了‘左手動’的腦電信號，就讓小車向左前行；一旦體系接納到了‘右手動’的腦電信號，就讓小車向右前行”。

有特異性的腦電信號還有許多。咱們可以把它們都運用起來，以更高的自在度操控小車運轉。咱們可以把幻想“舌頭動”對應的腦電信號設置為加快，把“左腿動”設置為向左倒車，把“右腿動”設置為向右倒車……。也便是說，運用依據(jù)運動幻想腦機接口的人會經(jīng)過幻想自己身體部位的運動，來操控小車的運動。

當然了，“運動幻想”腦機接口有遠比開小車更有用的運用。仿生手、外骨骼的創(chuàng)造讓截肢患者看到了從頭站起和抓取物件的期望。盡管仿生手和外骨骼可以經(jīng)過勘探身體肌電來操控，但一些患者因為高位截肢，或許癱瘓，無法經(jīng)過肌電操控這些設備。這個時分，“運動幻想”腦機接口就能派上用場了。

某種意義上，SSVEP和運動幻想完結“用思維完結某項使命”的辦法是很類似的。他們都是運用有特異性的腦電信號，人為地用這些腦電信號去表征一些方針/行為；經(jīng)過辨認這些腦電信號，這些方針/行為便得以辨認或完結。必定程度上，咱們思維的內(nèi)容并不重要：SSVEP不需求咱們思維，只需求咱們凝視方針；運動幻想則只需求咱們思維的內(nèi)容可以發(fā)生特異性滿足的腦電信號——幻想自己舌頭動，也能加快小車。

本文中，筆者說到的兩種腦機接口的完結辦法，僅僅許多完結辦法的一部分。除了SSVEP和運動幻想，還有依據(jù)P300（另一種腦電信號，由小概率事件而誘發(fā)）、依據(jù)大腦擔任言語功用區(qū)域的腦電信號等辦法完結的腦機接口。

?和SSVEP經(jīng)過繼續(xù)的安穩(wěn)閃耀使大腦發(fā)生必定頻率的電位不同，P300經(jīng)過瞬間的閃耀，導致大腦發(fā)生電信號。

?經(jīng)典動畫電影《攻殼機動隊》對腦機接口的描寫

咱們常常在影視作品中看到關于腦機接口酷爆了的運用，比方傳輸認識、操控機甲，在實際中，腦機接口能做到的工作或許多，除了讓癱瘓患者可以打字和走路，還有中風恢復、心理疾病醫(yī)治、兒童神經(jīng)開展疾?。ㄈ缱蚤]癥、多動癥）醫(yī)治等運用（Huggins et al. 2017。）

但是，這些運用離群眾還有些間隔。要將腦機接口的技能原型進一步商業(yè)化，不只需求改進技能，讓體系更好用，還需求下降硬件本錢。清華大學試驗室里，一頂好用的腦電帽在2005年的價格是1萬到2萬之間，而信號增大器則花費了50萬元，明顯不是一個普通人能承當?shù)闷鸬摹?/p>

現(xiàn)在，已經(jīng)有企業(yè)在做商業(yè)化的盡力，比方加州的Synchron正試圖研制可用于操控人工臂和外骨骼的侵入式腦機接口，硅谷華人公司BrainCo正在商業(yè)化腦機接口打字體系，和協(xié)助糾正兒童多動癥的腦機接口體系。

讀者這時或許不由得問：你不是說你洗了兩次頭嗎？

假如你不期望走在大街上，頂著滿頭導電膏成為萬眾矚目的焦點，那么請再洗一次吧。

參考文獻：

Huggins, Jane E., Christoph Gugr, MouniaZiat, Thorsten O. Zander, Denise Taylor, Michael Tangermann, AureliSoria-Frisch et al. "Workshops of the Sixth International Brain–ComputerInterface Meeting: brain-computer interfaces past, present, and future."Brain-computer interfaces 4, no. 1-2 (2017): 3-36.

Nakanishi, Masaki, Yijun Wang, Xiaogang Chen, Yu-Te Wang, Xiaorong Gao, and Tzyy-Ping Jung. "Enhancing detection of SSVEPs for a high-speed brain speller using task-related component analysis." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 65, no. 1 (2018):104-112.

Yang, Chen, Xu Han, Yijun Wang, Rami Saab, Shangkai Gao, and Xiaorong Gao. "A Dynamic Window Recognition Algorithm for SSVEP-Based Brain-Computer Interfaces Using A Spatio-Temporal Equalizer." International Journal of Neural Systems. 2018. Published online.

盤點 | 曩昔一年拿到融資的腦機接口玩家，https://www.leiphone.com/news/21704/TIfrY8vL382Cvprn.html

做醫(yī)療級腦電設備，打造腦機接口編譯體系，BrainCo想成為腦機接口范疇的Windows，https://36kr.com/p/5079162.html

去知識分子網(wǎng)站看一看這些文章：

中科院遺傳所學者提醒不同科作物馴化，存在基因平行挑選

http://www.zhishifenzi.com/news/biology/4028.html

為了解腦機接口，我洗了兩次頭

http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/4019.html

脊髓損害致下肢癱瘓者，或許電影響就能行走了

http://www.zhishifenzi.com/news/multiple/4031.html

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