讲座题目：从“读心”到“脑控”：脑机接口离我们有多远？
主 讲 人：张治国，哈尔滨工业大学（深圳）教授
讲座时间：2023-10-21
讲座地点：深圳大学城图书馆四楼413报告厅
2023年10月21日下午，哈尔滨工业大学（深圳）教授张治国做客大学城新论·名家讲座，为听众们讲解脑机接口研究前沿与应用发展趋势。张教授目前还担任鹏城实验室双聘研究员，国家级青年人才专家，主要研究方向为脑机交互、神经解码与调控、认知情感计算和类脑智能，聚焦情感障碍和认知障碍等重大脑疾病，发展新型神经解码算法和个性化脑机交互系统，开发精准诊疗和康复技术。在2023年入选斯坦福大学公布的全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力”榜单。
脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)直接建立人脑与外部设备之间的信息交互通路，可以实现意念控制机器、读取大脑思维、植入修改记忆、修复视感知功能等用途。脑机接口作为脑科学和人工智能的交叉，被普遍认为是新一代人机交互和人工智能的关键核心技术，甚至被美国商务部列为出口管制技术。近年来，脑机接口科技飞速发展，正在一步步变成现实，逐步走入人们的生活。在本期讲座中，张教授深入浅出地介绍脑机接口的基本原理和相关应用，演示现阶段脑机接口技术的最新进展，并对脑机接口的产业转化进行展望，并在讲座现场别开生面地与听众进行简单的脑机接口实验，使听众对这一前沿交叉领域有直观认识和近距离接触。
“读心”与“脑控”：关于大脑的秘密
“读心术”与脑控技术常常被人们视为黑科技，近年来迅速的发展，使其在大众媒体中赢得广泛的关注。由埃隆·马斯克创办的Neuralink公司在脑机接口领域的发展尤为瞩目，包括芯片植入猪脑读取情绪、猴子用意念玩电脑游戏等在内的案例让脑机接口技术逐步走入现实。脑机接口背后隐藏着什么现代技术，张教授认为ChatGPT给出了不错的答案。脑机接口技术、脑电图、功能性磁共振成像、脑刺激技术、深度学习和模式识别等技术被广泛应用于脑控或脑机接口，但目前仍然没有一种科技可以完全实现所谓“读心”或者“脑控”。因此，脑机接口究竟是什么，该技术是科技前沿还是商业营销，需要我们溯本清源，厘清该项技术的发展脉络。
复杂动态的人脑是人最复杂的器官，人脑中包含了一千亿个神经元，一个神经元能够连接一千个神经元，并在一分钟之内被激发两千次。在不同的尺度上，大脑可被划分为不同的层级与结构，不同的结构对应人脑不同的功能。以经典感官侏儒为例，若按照与身体部位感觉相关的初级感觉皮层的区域分布情况同等比例大小设置人体部位，则人体双手则会表现为格外庞大。同时，大脑也负责包括情绪、知觉、认知、睡梦、思想、记忆等高级感知功能。
脑信号与脑解码
解构人脑解构与功能需要以人脑信号的测量为基础。张教授介绍，大脑神经电信号源于神经元产生的动作电位，神经元是神经系统的基本单位细胞，当细胞受到阈上刺激时发生的快速可传播的细胞膜两侧的电变化则被称为动作电位。神经元上的树突结构检测刺激或手机动作电位，所有的刺激和信号都会使神经元产生动作电位，轴突结构将动作电位传递给其他神经元并依次传递下去，由此产生脑电信号。
脑电信号的采集方式可分为表面脑电、皮层脑电、局部场电位、神经元放电等不同方式，随着侵入方式的逐步深入，所采集到的信号空间分辨率可不断得到提高，但侵入风险也随之增大。在实验室场景中常用高密度（64导联或更多）电极帽作为脑电采集系统，目前移动脑电信号采集系统发展迅速，具有便携、无线、更少电极、干式接触等优势。现场，张教授向听众读者展示了两种不同的脑电采集设备，通过电极探测，张教授的脑电信号直接显示在现场屏幕上，并随着每一次眨眼，脑电信号的α波同步产生波形变化，引起现场听众的阵阵惊叹。除电极探测外，磁共振影像、功能近红外成像、正电子发射断层成像等技术也常被用于脑电信号采集。
脑解码过程需要对采集到的脑电信号进行进一步信号处理与特征提取，从脑电中揭示大脑潜在的胜利、心理甚至病理状态。从脑电信号中解读大脑状态是模式识别的一个典型应用，随着人工智能的迅猛发展，一系列先进的模式识别和机器学习技术用于脑电解码中。一个典型的问题为，已知睁眼和闭眼脑电α波将产生节律变化，假设采集两个试次的脑电信号，如何判别两者何为睁眼，何为闭眼？通过使用带通滤波或空间滤波的预处理过程，基于傅里叶变换的特征工程过程以及模式分类过程，能够从训练数据中学习决策边界，进而实现闭眼与睁眼动作的识别。张教授介绍，以深度神经网络为代表的人工智能技术深刻地影响了脑电解码，目前该技术已被应用于解码疼痛、解码情绪等场景中。在解码情绪的基础上，对用户实施精准的外部刺激达到个体化情绪调控，进而实现脑机接口。
脑机接口与脑机智能
脑机接口是在脑解码基础上的延伸应用，将利用解码后的脑信号直接控制机器。脑机接口是可以将脑信号转换为命令来控制外部设备的通信系统，可作为神经肌肉系统的替代技术，是当前最有前途和挑战性的技术之一。一个典型应用场景为运动想象，运动想象改变人脑感觉运动区的脑电波振荡，经由预处理、特征工程、模式分类、控制等模块流程，脑机接口将可以实现对于外部设备的运动控制。
脑机接口的应用可包括状态识别与监测、信息交流与控制、感知/运动功能康复与重建。状态识别与监测包括学生注意力水平、提升游戏体验、驾驶疲劳状态监测，信息交流与控制包括通过控制光标进行信息交流、通过想想运动控制机械臂、假肢、轮椅、家用电器、汽车等外部设备，感知/运动功能康复与重建则包括瘫痪、中风等疾病主动式康复，自闭症儿童治疗、感官重建、认知能力增强。张教授在讲座现场邀请听众亲身体验脑机交互，通过佩戴脑电采集设备，听众或通过主动集中注意力，或主动实施冥想，成功与电脑程序中的物体完成互动。
传统脑机接口实现从人脑到机器的单向传输，新型脑机接口则致力于完成双向脑机交互的神经调控过程。通过电、磁、光等手段对电脑进行刺激，从而达到调控神经活动及功能的目的，进而在医疗领域实现治疗神经疾病或提升认知能力的应用。面对未来从解码人脑以控制外部及其的脑机接口到人脑智能与及其智能互联协作的脑机智能发展趋势，也正在人类反馈的强化学习、大模型赋能脑电解码等领域不断进行探索。张教授认为，脑机接口离我们既很近，又很远。在各学科技术突飞猛进，为脑机接口赋能的背景下，各类演示性应用层出不穷，政府和公众有普遍兴趣，商业投资热情高涨，脑机接口的发展未来可期。同时，脑机接口目前仍有很多关键脑机制和技术问题有待突破，公众日常使用场景不明确，伦理和法律问题亟待研究，盈利模式不明确以及临床效果仍待确定，脑机接口研究依然道阻且长。
在最后的提问环节，张教授根据相关技术知识、行业现状与自身理解，深入浅出地与听众们讨论了有关脑电采集侵入材料、多模态脑电数据融合等问题。本次讲座就此落下帷幕。（特约通讯员：王雨润）