進(jìn)入2023年，腦機(jī)接口概念突然爆火。作為未來產(chǎn)業(yè)的重要分支，這項(xiàng)新興技術(shù)正在成為全球科技競爭的制高點(diǎn)和全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。

近日，由全球領(lǐng)先的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件開發(fā)商MathWorks主辦的2023 MATLAB EXPO中國用戶大會(huì)（北京站）在北京新云南皇冠假日酒店隆重舉行。來自MathWorks、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院等多位專家學(xué)者、企業(yè)代表和業(yè)界精英出席了本次大會(huì)，并圍繞前沿技術(shù)和科技創(chuàng)新發(fā)表了精彩演講。

作為本次大會(huì)的重磅嘉賓之一，清華大學(xué)心理學(xué)系副教授、清華大學(xué)腦與智能實(shí)驗(yàn)室兼職研究員張丹帶來了題為《腦機(jī)接口：解碼思維的力量》的主旨演講，以視覺腦機(jī)接口、情感腦機(jī)接口為例，介紹了美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB^®是如何支持相關(guān)研究工作及應(yīng)用的，以及如何支持高校腦機(jī)接口課程的教學(xué)與學(xué)生競賽的工作，從而為人工智能和腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展“把脈定向”。

大會(huì)當(dāng)天，21ic有幸采訪了張丹教授，并圍繞腦機(jī)接口的實(shí)際應(yīng)用與創(chuàng)新成果等話題進(jìn)行了深入交流。

▲清華大學(xué)心理學(xué)系副教授、清華大學(xué)腦與智能實(shí)驗(yàn)室兼職研究員張丹

說起腦機(jī)接口，相信大多數(shù)人最早接觸這一學(xué)術(shù)概念的時(shí)候，應(yīng)該都是在科幻電影里，像《源代碼》、《黑客帝國》、《阿凡達(dá)》以及《流浪地球2》中都有出現(xiàn)過類似的技術(shù)場景。

通俗地講，腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）也稱作“大腦端口”或者“腦機(jī)融合感知”，是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。作為一種新型的智能交互方式，腦機(jī)接口不依賴于大腦的正常輸出通路，即“大腦→中樞神經(jīng)系統(tǒng)→外周神經(jīng)→骨骼肌”這種層層控制，就能實(shí)現(xiàn)人與外界機(jī)器設(shè)備的直接信息交互，從而讓“思想”變成“行動(dòng)”。

據(jù)張丹教授介紹，目前腦機(jī)接口技術(shù)可分為侵入式和非侵入式兩大類。其中，侵入式腦機(jī)接口是指在大腦中植入電極或芯片，該方法雖然可以精準(zhǔn)地監(jiān)測到單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)，但開顱手術(shù)具有較大風(fēng)險(xiǎn)；非侵入式腦機(jī)接口是指通過穿戴設(shè)備，比如頭戴式的腦電帽，直接從大腦外部采集大腦信號(hào)，雖然這種方法更為便捷，但信號(hào)分辨率相對(duì)較低。

張丹教授指出，腦機(jī)接口之所以可以讀取大腦活動(dòng)，主要依賴三大關(guān)鍵技術(shù)：一是精準(zhǔn)時(shí)間的視覺信息呈現(xiàn)，即可以直接而精準(zhǔn)地在屏幕上觀測毫秒級(jí)的快速神經(jīng)活動(dòng)；二是腦機(jī)接口解碼算法，這是腦機(jī)接口數(shù)據(jù)分析最主流工具包，可以深度融合信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)方法；三是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與解碼，也可以說是破譯大腦信息，對(duì)人的內(nèi)在意識(shí)、情感進(jìn)行解讀。

從介紹中，我們不難看出，腦機(jī)接口研究涉及腦神經(jīng)數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法、交互界面設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，因此需要軟件層、硬件層、架構(gòu)層等多方產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)被夯實(shí)之后才能實(shí)現(xiàn)。

▲腦機(jī)接口示意圖

事實(shí)上，腦機(jī)接口這一概念最早由1973年美國科學(xué)家雅克·維達(dá)爾首次提出。雖然人類用大腦控制設(shè)備的想法已經(jīng)由來已久，但直到最近幾年，這項(xiàng)顛覆性技術(shù)才開始顯示出實(shí)際潛力。

目前，腦機(jī)接口技術(shù)可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、工業(yè)、娛樂等多種領(lǐng)域。比如，在醫(yī)學(xué)上，可以幫助殘疾患者控制假肢，使他們重獲運(yùn)動(dòng)能力；在教育上，可以幫助學(xué)生進(jìn)行一些認(rèn)知訓(xùn)練、反應(yīng)訓(xùn)練等，從而提高學(xué)習(xí)效果；在娛樂上，可以作為游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的控制器，通過思維進(jìn)入游戲或虛擬世界，使沉浸感更強(qiáng)……不過，張丹教授認(rèn)為，醫(yī)療臨床應(yīng)用才是腦機(jī)接口技術(shù)的未來主流方向。

“面向醫(yī)療，凡是跟大腦疾病相關(guān)的，比如漸凍癥、癲癇病等患者，都可以將其歸之于腦機(jī)接口這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用方向之內(nèi)。除了治療腦部疾病，還有一種情緒的腦機(jī)接口，也就是被動(dòng)腦機(jī)接口，可以應(yīng)用于心理學(xué)研究?！睆埖そ淌诮忉屨f，傳統(tǒng)的心理測評(píng)主要依賴于問卷、自我報(bào)告，或者咨詢師的訪談，這些對(duì)于受訪者的教育程度、配合程度等都有很高的要求，所以適用性存在較大局限。我們希望能夠建立一些更客觀的心理測評(píng)方案，可以開辟更廣闊的應(yīng)用前景。如果將腦機(jī)接口與人的心理測評(píng)相結(jié)合，則可以對(duì)心理學(xué)的發(fā)展提供更多科學(xué)的支撐。

在談及研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)時(shí)，張丹教授表示，腦機(jī)接口被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的顛覆性技術(shù)，當(dāng)前美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)都在積極布局，推出了許多針對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的重大研發(fā)計(jì)劃及投資項(xiàng)目。不過，各國的關(guān)注點(diǎn)各有側(cè)重。比如，美國更關(guān)注腦機(jī)接口如何促進(jìn)更高效的功能實(shí)現(xiàn)，歐洲各個(gè)國家更關(guān)注腦機(jī)和人文關(guān)懷，而中國在這兩方面都有所涉及。

據(jù)了解，我國早于“十三五”期間就啟動(dòng)了“中國腦計(jì)劃”，并以“一體兩翼”為發(fā)展戰(zhàn)略，即以研究腦認(rèn)知原理為“主體”，以研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機(jī)智能新技術(shù)為“兩翼”，重點(diǎn)支持類腦計(jì)算與腦機(jī)融合計(jì)算研發(fā)。在利好政策的推動(dòng)下，北京、上海均已啟動(dòng)“腦科學(xué)與類腦智能”地區(qū)性計(jì)劃，并分別成立了腦科學(xué)與類腦研究中心；同時(shí)，中國科學(xué)院成立了包含20家院所80余個(gè)精英實(shí)驗(yàn)室的腦科學(xué)和智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心；而各大高校也紛紛成立了類腦智能研究中心。

以清華大學(xué)為例，該校在腦機(jī)接口科研與教學(xué)、學(xué)生競賽活動(dòng)中使用了大量的MATLAB^®工具。該工具不僅擁有豐富的學(xué)界案例資源，還支持?jǐn)?shù)據(jù)分析、算法開發(fā)和建模等多樣化教學(xué)需求；同時(shí)，其易上手、可擴(kuò)展性強(qiáng)，以及兼顧基礎(chǔ)分析功能與前沿方法探索的特點(diǎn)，更是深受廣大用戶好評(píng)。從最基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)分析工具，到信號(hào)處理工具，再到機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)工具，MATLAB^®幫助研究人員推動(dòng)先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備開發(fā)和工程化落地進(jìn)程。

▲清華大學(xué)選擇MATLAB^®用于科研與教學(xué)和學(xué)生競賽活動(dòng)

在產(chǎn)業(yè)界共同努力下，我國在腦機(jī)接口研究領(lǐng)域已經(jīng)形成了獨(dú)特優(yōu)勢，并且也展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。但從應(yīng)用層面來看，目前的腦機(jī)接口產(chǎn)品距離商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用仍有一定的距離。

對(duì)此，張丹教授指出，腦機(jī)接口的技術(shù)瓶頸，主要體現(xiàn)在植入者的生物兼容性、信號(hào)處理抗干擾性，以及腦信號(hào)的解碼、再編碼等方面。“首先，在軟硬件技術(shù)方面，腦機(jī)接口的本質(zhì)是方便、快捷、有效地獲取大腦信號(hào)，但侵入式腦機(jī)接口需要通過外科手術(shù)把信號(hào)接收器植入腦中，因此對(duì)植入者的生物兼容性要求很高；而非侵入式腦機(jī)接口則需要解決傳感材料與對(duì)應(yīng)的電學(xué)問題。其次，在應(yīng)用端，腦機(jī)接口的信息是交互的，既要能讀懂大腦信號(hào)（輸出），又要能進(jìn)行干預(yù)和治療（輸入），那么如何實(shí)現(xiàn)多類技術(shù)的融合，如何實(shí)現(xiàn)向人腦的輸入，這些問題都需要進(jìn)一步研究。”

▲深度學(xué)習(xí)工作流程

除此之外，腦機(jī)接口所帶來的安全與倫理問題，一直以來也是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)，比如黑客攻擊、意念控制、數(shù)據(jù)竊取等隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)存在。

那么，如何應(yīng)對(duì)這類風(fēng)險(xiǎn)？張丹教授認(rèn)為，應(yīng)以政府引導(dǎo)為主，技術(shù)防御為輔，從政府角度建立監(jiān)管措施，同時(shí)需要科學(xué)家和企業(yè)團(tuán)隊(duì)提供相應(yīng)的技術(shù)支持和資料方案，幫助他們?nèi)プ鲆恍Q策的參考。“光靠一方是很難完成這件事的，需要政府、科學(xué)家、企業(yè)三方密切合作，共同推進(jìn)腦機(jī)接口領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！弊鳛榭鐚W(xué)科交叉融合、并產(chǎn)生廣泛社會(huì)影響的前沿技術(shù)，腦機(jī)接口的發(fā)展需要科研、產(chǎn)業(yè)、政策、監(jiān)管等社會(huì)各個(gè)層面的關(guān)注與推進(jìn)。

目前，無論國內(nèi)還是國外，腦機(jī)接口技術(shù)在臨床中仍屬于試驗(yàn)階段。雖然眼下腦機(jī)接口的應(yīng)用仍然面臨不少挑戰(zhàn)，但總的來說，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐漸走近了現(xiàn)實(shí)。可以預(yù)見，隨著“中國腦計(jì)劃”的實(shí)施，未來腦機(jī)接口技術(shù)將在增強(qiáng)人類能力、改善健康和康復(fù)、提升生活質(zhì)量等多個(gè)方面發(fā)揮更大作用。