進入2023年，腦機接口概念突然爆火。作為未來產業(yè)的重要分支，這項新興技術正在成為全球科技競爭的制高點和全球經濟發(fā)展的新引擎。

近日，由全球領先的數學計算軟件開發(fā)商MathWorks主辦的2023 MATLAB EXPO中國用戶大會（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、復旦大學、中訊郵電咨詢設計院等多位專家學者、企業(yè)代表和業(yè)界精英出席了本次大會，并圍繞前沿技術和科技創(chuàng)新發(fā)表了精彩演講。

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

大會當天，21ic有幸采訪了張丹教授，并圍繞腦機接口的實際應用與創(chuàng)新成果等話題進行了深入交流。

▲清華大學心理學系副教授、清華大學腦與智能實驗室兼職研究員張丹

說起腦機接口，相信大多數人最早接觸這一學術概念的時候，應該都是在科幻電影里，像《源代碼》、《黑客帝國》、《阿凡達》以及《流浪地球2》中都有出現過類似的技術場景。

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

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

張丹教授指出，腦機接口之所以可以讀取大腦活動，主要依賴三大關鍵技術：一是精準時間的視覺信息呈現，即可以直接而精準地在屏幕上觀測毫秒級的快速神經活動；二是腦機接口解碼算法，這是腦機接口數據分析最主流工具包，可以深度融合信號處理、機器學習方法；三是實時數據處理與解碼，也可以說是破譯大腦信息，對人的內在意識、情感進行解讀。

從介紹中，我們不難看出，腦機接口研究涉及腦神經數據機器學習算法、交互界面設計、實時數據處理等多個技術領域，因此需要軟件層、硬件層、架構層等多方產業(yè)基礎被夯實之后才能實現。

▲腦機接口示意圖

事實上，腦機接口這一概念最早由1973年美國科學家雅克·維達爾首次提出。雖然人類用大腦控制設備的想法已經由來已久，但直到最近幾年，這項顛覆性技術才開始顯示出實際潛力。

目前，腦機接口技術可以應用于醫(yī)學、教育、軍事、工業(yè)、娛樂等多種領域。比如，在醫(yī)學上，可以幫助殘疾患者控制假肢，使他們重獲運動能力；在教育上，可以幫助學生進行一些認知訓練、反應訓練等，從而提高學習效果；在娛樂上，可以作為游戲和虛擬現實設備的控制器，通過思維進入游戲或虛擬世界，使沉浸感更強……不過，張丹教授認為，醫(yī)療臨床應用才是腦機接口技術的未來主流方向。

“面向醫(yī)療，凡是跟大腦疾病相關的，比如漸凍癥、癲癇病等患者，都可以將其歸之于腦機接口這項技術的潛在應用方向之內。除了治療腦部疾病，還有一種情緒的腦機接口，也就是被動腦機接口，可以應用于心理學研究?！睆埖そ淌诮忉屨f，傳統的心理測評主要依賴于問卷、自我報告，或者咨詢師的訪談，這些對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方案，可以開辟更廣闊的應用前景。如果將腦機接口與人的心理測評相結合，則可以對心理學的發(fā)展提供更多科學的支撐。

在談及研究現狀和發(fā)展動態(tài)時，張丹教授表示，腦機接口被認為是實現新一代人機交互和人機混合智能的顛覆性技術，當前美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)都在積極布局，推出了許多針對腦機接口技術的重大研發(fā)計劃及投資項目。不過，各國的關注點各有側重。比如，美國更關注腦機接口如何促進更高效的功能實現，歐洲各個國家更關注腦機和人文關懷，而中國在這兩方面都有所涉及。

據了解，我國早于“十三五”期間就啟動了“中國腦計劃”，并以“一體兩翼”為發(fā)展戰(zhàn)略，即以研究腦認知原理為“主體”，以研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術為“兩翼”，重點支持類腦計算與腦機融合計算研發(fā)。在利好政策的推動下，北京、上海均已啟動“腦科學與類腦智能”地區(qū)性計劃，并分別成立了腦科學與類腦研究中心；同時，中國科學院成立了包含20家院所80余個精英實驗室的腦科學和智能技術卓越創(chuàng)新中心；而各大高校也紛紛成立了類腦智能研究中心。

以清華大學為例，該校在腦機接口科研與教學、學生競賽活動中使用了大量的MATLAB^®工具。該工具不僅擁有豐富的學界案例資源，還支持數據分析、算法開發(fā)和建模等多樣化教學需求；同時，其易上手、可擴展性強，以及兼顧基礎分析功能與前沿方法探索的特點，更是深受廣大用戶好評。從最基礎的統計分析工具，到信號處理工具，再到機器學習/深度學習工具，MATLAB^®幫助研究人員推動先進醫(yī)療設備開發(fā)和工程化落地進程。

▲清華大學選擇MATLAB^®用于科研與教學和學生競賽活動

在產業(yè)界共同努力下，我國在腦機接口研究領域已經形成了獨特優(yōu)勢，并且也展現出了廣闊的應用前景。但從應用層面來看，目前的腦機接口產品距離商業(yè)化和大規(guī)模應用仍有一定的距離。

對此，張丹教授指出，腦機接口的技術瓶頸，主要體現在植入者的生物兼容性、信號處理抗干擾性，以及腦信號的解碼、再編碼等方面。“首先，在軟硬件技術方面，腦機接口的本質是方便、快捷、有效地獲取大腦信號，但侵入式腦機接口需要通過外科手術把信號接收器植入腦中，因此對植入者的生物兼容性要求很高；而非侵入式腦機接口則需要解決傳感材料與對應的電學問題。其次，在應用端，腦機接口的信息是交互的，既要能讀懂大腦信號（輸出），又要能進行干預和治療（輸入），那么如何實現多類技術的融合，如何實現向人腦的輸入，這些問題都需要進一步研究?！?/span>

▲深度學習工作流程

除此之外，腦機接口所帶來的安全與倫理問題，一直以來也是社會關注的重點，比如黑客攻擊、意念控制、數據竊取等隱私泄露風險存在。

那么，如何應對這類風險？張丹教授認為，應以政府引導為主，技術防御為輔，從政府角度建立監(jiān)管措施，同時需要科學家和企業(yè)團隊提供相應的技術支持和資料方案，幫助他們去做一些決策的參考?！肮饪恳环绞呛茈y完成這件事的，需要政府、科學家、企業(yè)三方密切合作，共同推進腦機接口領域的技術進步與產業(yè)發(fā)展?！弊鳛榭鐚W科交叉融合、并產生廣泛社會影響的前沿技術，腦機接口的發(fā)展需要科研、產業(yè)、政策、監(jiān)管等社會各個層面的關注與推進。

目前，無論國內還是國外，腦機接口技術在臨床中仍屬于試驗階段。雖然眼下腦機接口的應用仍然面臨不少挑戰(zhàn)，但總的來說，這項技術已經從實驗室逐漸走近了現實?？梢灶A見，隨著“中國腦計劃”的實施，未來腦機接口技術將在增強人類能力、改善健康和康復、提升生活質量等多個方面發(fā)揮更大作用。