-非法字符-多动症[不是非法字符的符号]

?展厅里有不同的展位，清华的“依据稳态视觉诱发（SSVEP）”的脑机接口打字体系的迎客超模十分吸引人。

撰文 | 蒋海宇

责编 | 陈晓雪

知识分子为更好的智趣日子 ID：The-Intellectual

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“您去把头洗了。”作业人员给我递来一张毛巾，一小袋洗发露。

他不叫托尼，我也不是要做发型。我在2018年国际机器人大会上的脑机接口展厅里，想要亲身测验一下脑机接口终究是怎么回事。

作业人员的名字叫杨晨，是清华大学脑机接口研讨组的一名博士生。这个研讨组期望能经过这套打字体系协助全身瘫痪的渐冻人表达心里的主意，和外界沟通。“洗头可以去除头油，让脑电信号传导四通八达，也让设备接纳到的脑电信号愈加洁净。”杨晨解释道。

我洗完头，吹干头发，戴上脑电帽。杨晨像动画里的怪博士，拿着针管，从桌上抽出半管子凝胶，向我走来。“这是脑电胶，我要把它注入脑电帽的电极，让你的头皮和电极间的传导性更好。”这和让我洗头的原因差不多，都是为了加强导电性。脑电信号一般只需几微伏到几百微伏，电压强度大约只需一节五号电池的一百万分之一。

脑电帽本身不发生电波，它仅仅一个信号接纳器。脑电信号接纳后，还需经过一个信号扩大器扩大信号，并进行数字化编码，咱们才干得到可以被核算机处理的数据信息。脑电帽后边那长长的辫子，便是用来传输信号的。

?一个正在经过SSVEP脑机接口打字的小男孩。在图片偏左方位，是与脑电帽电线相连的脑电信号扩大器，扩大器经过另一根电线将扩大后的信号传输给体系。

现在干流的脑机接口都会用上脑电帽和信号扩大器。不过，也有一种脑机接口，它不运用脑电帽，而是直接将电极穿过颅骨直插大脑皮层外表，乃至直接插入皮层之下。这种脑机接口会对大脑形成必定程度的损害，不过也可以取得愈加丰厚的脑活动信息。

区别不同脑机接口体系的，首要是脑机接口的完结办法，以及脑机接口体系的用处。稳态视觉诱发（SSVEP）是清华大学团队的脑机接口完结办法。脑机接口体系除了打字，还可以用于操控仿生外骨骼行走，或许操控人工手。

那么，SSVEP终究是什么？又是怎么完结打字的呢？

要了解SSVEP的原理，让咱们先看看杨晨地点团队运用的打字界面。

?体系界面上，不同的字幕方块正以不同的频率闪耀着。几秒后，文字框呈现了字母“d”。

这个体系界面便是一个虚拟键盘，由三十个不断闪耀的方块组成。键盘上方是一个文字框。当我要输入字母“d”时，我需求盯着方块“d”看，不过一瞬间，“d”便呈现在了文字框中。假如我还有耐性打下一个字母，我就再把目光会集到另一个字母方块上，直到字母呈现。

打字机是怎么读懂我的需求呢？

杨晨告诉我，当人的视觉体系接纳到固定频率的影响时，大脑皮层视觉区上会发生一个相应频率的电位。键盘上的每一个影响方针都有自己的闪耀频率（他们由研讨人员在一开端设定好），因而当咱们看字母方块“d”时，视网膜会快速跟从对应的闪耀频率，并发生的相应电位，会不同于咱们看其他字母方块时发生的电位。视网膜上的电位会传递到咱们的大脑枕区（也便是后脑勺）。经过辨认枕区的电位，体系便能知晓运用者在盯着哪个方针看。

现在，现有脑机接口体系解码脑电信号首要运用传统的信号处理手法，而不是机器学习这样的人工智能手法。传统的信号处理手法需求研制人员自己树立数学模型，而机器学习则是让体系经过学习已有样本的特征，自行树立数学模型。

“咱们先树立脑电信号的根本数学模型，然后再经过实践脑电信号对模型中的参数进行估量，最终依据得到的模型核算对不同的假定进行查验。在这个有30个字母方块的打字体系里，咱们可以树立30种假定，别离假定用户在看a，b，c等等。之后，咱们经过危险贝叶斯决议计划，就可以判别哪一种假定建立的概率最高。”杨晨解释道。

杨晨说他们并不是不想运用机器学习，而是因为机器学习要求许多且标准的样本，但现在脑机接口研讨范畴尚不具有这样的条件。机器学习要求样本集可以掩盖不同形状的样本，可是人与人的脑电信号差异很大，一个人在不同时刻的脑电信号差异也很大。所以，以现在的样本量，机器学习的作用还不如传统手法。

经过SSVEP脑机接口，我大约需求3秒才干打出一个字符。有的时分，因为遭到环境和身体肌电的影响，或许因为我注意力不会集，导致体系辨认过错，我还需求退格重打，让人十分懊丧。怎么使体系辨认更快，准确率更高，也是各研讨机构的首要作业方向。

运用SSVEP时，长时刻的光闪耀影响简单形成运用者视觉疲惫，从而影响脑机接口的辨认准确度。因而，西安交通大学医工穿插研讨所的徐光华教授团队提出了一种新的影响范式，经过图画的运动（比方牛顿环和棋盘格）影响视网膜，而非明暗的改变。这种影响范式的实践运用作用仍然在进一步研讨之中。

?牛顿环和棋盘格，两种靠图画运动影响视网膜的脑机接口完结范式（来历：西安交通大学医工穿插研讨所 徐光华教授团队）。

除了改进范式，改进算法也能提高辨认准确率。现在来说，大部分SSVEP体系都选用“固定时刻窗”，也便是说在必定时刻今后，体系无论怎么都要对运用者所看方针做出判别，即便当时供判别的信息不行。假如算法可以针对不同人，依据不同状况，弹性“时刻窗”，那么体系的准确率就或许得到提高。上一年，清华大学团队开宣布了一套包括40个方针的动态窗脑机接口体系（Yang et al. 2018）。在无需练习数据的条件下，可以完结在均匀2.5秒左右的时刻里完结90%以上的均匀辨认正确率。

2017年，加州大学圣地亚哥分校的正樹中西（Masaki Nakanishi）研讨组更进一步提高了运用脑机接口打字的速度。他们经过使命相关组成部分剖析（Task-related component analysis），将打字速度提高到75个字符每分钟（Nakanishi et al. 2017）。该办法首要经过引导运用者在短时刻内去凝视不同的方针，对解码体系进行练习。练习完结后，运用者方能自在打字。为了提高打字速度，体系留给运用者的“时刻窗”十分短，只需0.8秒，也便是说运用者需求在极短的时刻内不断互换自己凝视的方针。

正樹中西团队的这种脑机接口运用的是固定的时刻窗，所以它要求运用者紧紧跟从核算机的脚步。当核算机宣布提示“开端凝视屏幕！”，人们就必须马上将目光确定在想输入的文字上。假如人们没有跟上核算机的节奏，或许注意力不会集，核算机就会很硬塞给人们一个成果，哪怕这个时分人们并不期望输入任何指令。

与运用固定时刻窗的体系不同，动态时刻窗更以人为本。杨晨说，“经过动态时刻窗，人们不用在核算机指定的时刻输入指令，而是可以按照自己的主意，在需求的时刻发送指令。运用固态窗的体系就像外语听力考试，咱们必须在规则的时刻内给出自己的挑选；而动态窗体系则像键盘，让咱们能在任何需求的时分自在地按下按键。”

SSVEP仅仅脑机接口的一种完结办法。这儿咱们再介绍另一种干流完结办法：运动幻想。

经过上面的描绘，咱们可以看到，SSVEP是经过“诱发”的方法得以完结：不同的闪耀频率或许运动图画让我的大脑发生了不同的脑电信号，而这些差异的脑电信号正好表征着某个方针。依据运动幻想的脑机接口则无需外界触发，运用者只需求自发性地幻想。

咱们拿遥控车来举个比方。怎么用思维操控遥控小车运转呢？依据运动幻想的脑机接口不是说我想让小车往左小车就往左，让小车往右小车就会往右。运动幻想不是关于方针运动的幻想——而是关于运用者本身的幻想。

当咱们幻想自己左手动（左手不需求真的运动）时，咱们大脑的运动相关区域就会发生相应的脑电信号。当咱们幻想自己右手动时，大脑的相关区域则会发生另一种脑电信号。因为这两种脑电信号有特异性，咱们便能运用他们操控小车：研讨人员可以把体系设置成“一旦体系接纳到了‘左手动’的脑电信号，就让小车向左前行；一旦体系接纳到了‘右手动’的脑电信号，就让小车向右前行”。

有特异性的脑电信号还有许多。咱们可以把它们都运用起来，以更高的自在度操控小车运转。咱们可以把幻想“舌头动”对应的脑电信号设置为加快，把“左腿动”设置为向左倒车，把“右腿动”设置为向右倒车……。也便是说，运用依据运动幻想脑机接口的人会经过幻想自己身体部位的运动，来操控小车的运动。

当然了，“运动幻想”脑机接口有远比开小车更有用的运用。仿生手、外骨骼的创造让截肢患者看到了从头站起和抓取物件的期望。尽管仿生手和外骨骼可以经过勘探身体肌电来操控，但一些患者因为高位截肢，或许瘫痪，无法经过肌电操控这些设备。这个时分，“运动幻想”脑机接口就能派上用场了。

某种意义上，SSVEP和运动幻想完结“用思维完结某项使命”的办法是很类似的。他们都是运用有特异性的脑电信号，人为地用这些脑电信号去表征一些方针/行为；经过辨认这些脑电信号，这些方针/行为便得以辨认或完结。必定程度上，咱们思维的内容并不重要：SSVEP不需求咱们思维，只需求咱们凝视方针；运动幻想则只需求咱们思维的内容可以发生特异性满足的脑电信号——幻想自己舌头动，也能加快小车。

本文中，笔者说到的两种脑机接口的完结办法，仅仅许多完结办法的一部分。除了SSVEP和运动幻想，还有依据P300（另一种脑电信号，由小概率事件而诱发）、依据大脑担任言语功用区域的脑电信号等办法完结的脑机接口。

?和SSVEP经过继续的安稳闪耀使大脑发生必定频率的电位不同，P300经过瞬间的闪耀，导致大脑发生电信号。

?经典动画电影《攻壳机动队》对脑机接口的描写

咱们常常在影视作品中看到关于脑机接口酷爆了的运用，比方传输认识、操控机甲，在实际中，脑机接口能做到的工作或许多，除了让瘫痪患者可以打字和走路，还有中风恢复、心理疾病医治、儿童神经开展疾病（如自闭症、多动症）医治等运用（Huggins et al. 2017。）

但是，这些运用离群众还有些间隔。要将脑机接口的技能原型进一步商业化，不只需求改进技能，让体系更好用，还需求下降硬件本钱。清华大学试验室里，一顶好用的脑电帽在2005年的价格是1万到2万之间，而信号增大器则花费了50万元，明显不是一个普通人能承当得起的。

现在，已经有企业在做商业化的尽力，比方加州的Synchron正试图研制可用于操控人工臂和外骨骼的侵入式脑机接口，硅谷华人公司BrainCo正在商业化脑机接口打字体系，和协助纠正儿童多动症的脑机接口体系。

读者这时或许不由得问：你不是说你洗了两次头吗？

假如你不期望走在大街上，顶着满头导电膏成为万众瞩目的焦点，那么请再洗一次吧。

参考文献：

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.

盘点 | 曩昔一年拿到融资的脑机接口玩家，https://www.leiphone.com/news/21704/TIfrY8vL382Cvprn.html

做医疗级脑电设备，打造脑机接口编译体系，BrainCo想成为脑机接口范畴的Windows，https://36kr.com/p/5079162.html

去知识分子网站看一看这些文章：

中科院遗传所学者提醒不同科作物驯化，存在基因平行挑选

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

为了解脑机接口，我洗了两次头

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

脊髓损害致下肢瘫痪者，或许电影响就能行走了

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

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