近日，美國斯坦福大學研討人員破譯了與手寫書信相關的大腦活動，并結合人工智能算法，完成“意念寫字”。這使得癱瘓者只需“腦補”手寫文字，他所想的文本就會實時顯現在屏幕上。雖然經過腦機接口（BCI）技能完成意念操控已不是什么新鮮事，但此次讓癱瘓者幻想自己書寫，然后將意念轉化為真實的文本，并達到90字符/分鐘的速度和99%的準確度也是非常令人驚喜的。這也讓人們看到了未來運用BCI技能完成高效意念操控和溝通的希望。
BCI技能寫字的核心在編碼解碼
“腦機接口，望文生義，便是大腦與計算機之間的一個接口，經過這個接口，大腦可以完成與計算機信息的直接溝通。反之，計算機也可以經過這個接口把信息直接加載到腦子里?！碧旖蚰X科學中心主任助理、天津大學醫學工程與轉化醫學研討院許敏鵬副教授介紹，在現階段，腦機接口研討主要集中在解讀大腦目的方面，根據傳感辦法的不同，可分為非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美國斯坦福大學“意念寫字”的研討，是運用了侵入式BCI技能。研討者將兩個細小的傳感器植入癱瘓者大腦操控手和手臂的區域，每個傳感器都含有96個電極，當癱瘓者幻想寫字時，團隊運用傳感器從單個神經元中拾取信號，再經過機器學習算法識別出他的大腦隨每個字母發生的方式?！扒秩胧紹CI需求經過外科手術，將信號檢測電極植入大腦皮層。”許敏鵬表明，侵入式BCI可直接提取神經信號，具有較高的信噪比；但存在長期生物相容性等瓶頸問題，且電極周圍微環境的改變簡單對信號質量帶來影響，不利于長期收集。非侵入式BCI則是將電極放置在頭皮部位得到頭皮腦電信號，具有安全無創、優良的全腦同步記載等優勢，因此現在在教育、醫療、航天等眾多領域顯現了更加廣泛的應用前景?！坝梅乔秩胧紹CI也能完成‘意念寫字’?！痹S敏鵬介紹，2021年春節，天津大學神經工程團隊研發的“哪吒”腦控智臂機器人體系，運用戴在兩位協作者頭上的“電極帽”捕獲他們的頭皮腦電波，經過解碼交融各方的合作目的指令，操控機械臂寫出了一個“?！弊帧！盁o論是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念寫字’，背面都是一套復雜的編碼與解碼過程。”許敏鵬解釋，進行“意念寫字”時，無論英文仍是中文都會在屏幕上呈現一個虛擬的鍵盤，鍵盤中的每個字符都以不同頻率進行編碼。當想拼寫某個字符的時分，只需看著這個字符，不同頻率的字符就會帶來不同的視覺影響，然后誘發出特定方式的腦電波。腦機接口設備捕捉到腦電波信號，然后經過算法解碼腦電波方式，就能確認看的是哪個字符。斯坦福大學此次研討經過“腦補”手寫筆跡，大幅度提高了“意念”書寫的速度，主要是因為科研人員在對腦電信號的解碼方面取得了突破。研討人員破譯了與手寫字母相關的大腦活動，經過每個字母引發腦電波的高度不同的活動方式，使算法相對簡單地將不同字母區分開。
運用BCI技能寫字還需排除“雜念”
在電視報導中，咱們經常能見到如下的場景，肢體活動受限的人只需盯著電腦屏幕，滾動眼球，便可操控鼠標移動，再經過眨眼或長期凝視選定方針，就能寫字、畫畫。比如霍金經過一套眼部動作—數據信息—語音的轉換設備，最終在語音合成器的協助下完成發聲，轉換設備由此輔佐霍金和外界溝通?！把蹌幼粉櫴且环N經過記載被試者眼睛的位置和運動來盯梢被試者視野落點，并剖析其視覺行為的人機交互技能辦法，即用目光操控機器。看似和BCI進行書寫的技能有點像，其實二者有著本質的差異?！痹S敏鵬解釋，BCI需求檢測大腦的神經活動信號并將受試者的目的解析為實踐的操控指令，簡單來說，便是完成用腦電操控機器；而眼動儀主要是對受試者眼睛的運動和位置進行追蹤，并計算出受試者視野落點的位置，以此來判別受試者實踐目的?！把蹌觾x會受到器材位置的局限性影響，而BCI就不會存在這個問題。但現在腦信息收集仍是需求受試者自動合作，甚至為了準確性需求先進行一定量的訓練。”許敏鵬舉例，如在運用BCI寫福字時，受試者眼睛要盯著屏幕上的視圖書寫板，確認字的筆畫起點和終點，然后連線寫出一筆。如果沒有經過訓練，這個字寫出來或許不會很工整?！霸趯嵺`應用時，大腦很長期都會處于一個非使命狀況。咱們運用BCI體系的時分，抱負的運用狀況是咱們在需求將目的付諸實踐時BCI開關敞開，而在非使命即無意識的想法狀況時，BCI開關關閉（不輸出呼應）?！痹S敏鵬表明，解決這個問題，就需求BCI的一個實用化方式——異步腦機接口。這種BCI便是經過對大腦信息的實時收集剖析，分辯想要付諸實踐的目的和無意識的想法，只有當檢測出用戶有想要付諸實踐的目的時才會敞開BCI開關，這在很大程度上增加了BCI體系的實用性。
BCI技能的應用開拓了人機交互新天地
“侵入式BCI具有較高的信噪比和良好的時刻、空間分辯率，馬斯克發布的‘LINK V0.9’就歸于侵入式BCI技能?！痹S敏鵬表明，但侵入式BCI需求研發具有高靈敏度和高穩定性的電極陣列，以記載方針神經元集群的信號，一起最小化環境攪擾。另一方面，電極材料、結構等的選擇與規劃，長期記載電極功能的評價，植入點周圍微環境的改變等方面因素也是阻止侵入式BCI發展的難題。比如，在斯坦福大學這項的“意念寫字”研討中，研討人員就憂慮其大腦中植入的電極陣列會由于細小的移動以及疤痕的形成，對讀取神經信號的效果有所影響，因此必須要定期從頭校準。一起，體系的“壽數、安全性和有效性”還有待進一步證明。
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BCI技能寫字的核心在編碼解碼
“腦機接口，望文生義，便是大腦與計算機之間的一個接口，經過這個接口，大腦可以完成與計算機信息的直接溝通。反之，計算機也可以經過這個接口把信息直接加載到腦子里?！碧旖蚰X科學中心主任助理、天津大學醫學工程與轉化醫學研討院許敏鵬副教授介紹，在現階段，腦機接口研討主要集中在解讀大腦目的方面，根據傳感辦法的不同，可分為非侵入式BCI和侵入式BCI。前述美國斯坦福大學“意念寫字”的研討，是運用了侵入式BCI技能。研討者將兩個細小的傳感器植入癱瘓者大腦操控手和手臂的區域，每個傳感器都含有96個電極，當癱瘓者幻想寫字時，團隊運用傳感器從單個神經元中拾取信號，再經過機器學習算法識別出他的大腦隨每個字母發生的方式?！扒秩胧紹CI需求經過外科手術，將信號檢測電極植入大腦皮層。”許敏鵬表明，侵入式BCI可直接提取神經信號，具有較高的信噪比；但存在長期生物相容性等瓶頸問題，且電極周圍微環境的改變簡單對信號質量帶來影響，不利于長期收集。非侵入式BCI則是將電極放置在頭皮部位得到頭皮腦電信號，具有安全無創、優良的全腦同步記載等優勢，因此現在在教育、醫療、航天等眾多領域顯現了更加廣泛的應用前景?！坝梅乔秩胧紹CI也能完成‘意念寫字’?！痹S敏鵬介紹，2021年春節，天津大學神經工程團隊研發的“哪吒”腦控智臂機器人體系，運用戴在兩位協作者頭上的“電極帽”捕獲他們的頭皮腦電波，經過解碼交融各方的合作目的指令，操控機械臂寫出了一個“?！弊帧！盁o論是侵入式仍是非侵入式的BCI‘意念寫字’，背面都是一套復雜的編碼與解碼過程。”許敏鵬解釋，進行“意念寫字”時，無論英文仍是中文都會在屏幕上呈現一個虛擬的鍵盤，鍵盤中的每個字符都以不同頻率進行編碼。當想拼寫某個字符的時分，只需看著這個字符，不同頻率的字符就會帶來不同的視覺影響，然后誘發出特定方式的腦電波。腦機接口設備捕捉到腦電波信號，然后經過算法解碼腦電波方式，就能確認看的是哪個字符。斯坦福大學此次研討經過“腦補”手寫筆跡，大幅度提高了“意念”書寫的速度，主要是因為科研人員在對腦電信號的解碼方面取得了突破。研討人員破譯了與手寫字母相關的大腦活動，經過每個字母引發腦電波的高度不同的活動方式，使算法相對簡單地將不同字母區分開。
運用BCI技能寫字還需排除“雜念”
在電視報導中，咱們經常能見到如下的場景，肢體活動受限的人只需盯著電腦屏幕，滾動眼球，便可操控鼠標移動，再經過眨眼或長期凝視選定方針，就能寫字、畫畫。比如霍金經過一套眼部動作—數據信息—語音的轉換設備，最終在語音合成器的協助下完成發聲，轉換設備由此輔佐霍金和外界溝通?！把蹌幼粉櫴且环N經過記載被試者眼睛的位置和運動來盯梢被試者視野落點，并剖析其視覺行為的人機交互技能辦法，即用目光操控機器。看似和BCI進行書寫的技能有點像，其實二者有著本質的差異?！痹S敏鵬解釋，BCI需求檢測大腦的神經活動信號并將受試者的目的解析為實踐的操控指令，簡單來說，便是完成用腦電操控機器；而眼動儀主要是對受試者眼睛的運動和位置進行追蹤，并計算出受試者視野落點的位置，以此來判別受試者實踐目的?！把蹌觾x會受到器材位置的局限性影響，而BCI就不會存在這個問題。但現在腦信息收集仍是需求受試者自動合作，甚至為了準確性需求先進行一定量的訓練。”許敏鵬舉例，如在運用BCI寫福字時，受試者眼睛要盯著屏幕上的視圖書寫板，確認字的筆畫起點和終點，然后連線寫出一筆。如果沒有經過訓練，這個字寫出來或許不會很工整?！霸趯嵺`應用時，大腦很長期都會處于一個非使命狀況。咱們運用BCI體系的時分，抱負的運用狀況是咱們在需求將目的付諸實踐時BCI開關敞開，而在非使命即無意識的想法狀況時，BCI開關關閉（不輸出呼應）?！痹S敏鵬表明，解決這個問題，就需求BCI的一個實用化方式——異步腦機接口。這種BCI便是經過對大腦信息的實時收集剖析，分辯想要付諸實踐的目的和無意識的想法，只有當檢測出用戶有想要付諸實踐的目的時才會敞開BCI開關，這在很大程度上增加了BCI體系的實用性。
BCI技能的應用開拓了人機交互新天地
“侵入式BCI具有較高的信噪比和良好的時刻、空間分辯率，馬斯克發布的‘LINK V0.9’就歸于侵入式BCI技能?！痹S敏鵬表明，但侵入式BCI需求研發具有高靈敏度和高穩定性的電極陣列，以記載方針神經元集群的信號，一起最小化環境攪擾。另一方面，電極材料、結構等的選擇與規劃，長期記載電極功能的評價，植入點周圍微環境的改變等方面因素也是阻止侵入式BCI發展的難題。比如，在斯坦福大學這項的“意念寫字”研討中，研討人員就憂慮其大腦中植入的電極陣列會由于細小的移動以及疤痕的形成，對讀取神經信號的效果有所影響，因此必須要定期從頭校準。一起，體系的“壽數、安全性和有效性”還有待進一步證明。
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來源：科技日報
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