清華大學張丹：腦機接口技術(shù)開啟人機交互新時代！

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

近日，由全球領(lǐng)先的數(shù)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(shè)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(shù)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(shù)學軟件MATLAB^®是如何支持相關(guān)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(chǎn)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(shù)人最早接觸這一學術(shù)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(xiàn)過類似的技術(shù)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(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(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，就能實現(xiàn)人與外界機器設(shè)備的直接信息交互，從而讓“思想”變成“行動”。

據(jù)張丹教授介紹，目前腦機接口技術(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(jīng)元的放電活動，但開顱手術(shù)具有較大風險；非侵入式腦機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，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(guān)鍵技術(shù)：一是精準時間的視覺信息呈現(xiàn)，即可以直接而精準地在屏幕上觀測毫秒級的快速神經(jīng)活動；二是腦機接口解碼算法，這是腦機接口數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理與解碼，也可以說是破譯大腦信息，對人的內(nèi)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(jīng)數(shù)據(jù)機器學習算法、交互界面設(shè)計、實時數(shù)據(jù)處理等多個技術(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)被夯實之后才能實現(xiàn)。

▲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(shè)備的想法已經(jīng)由來已久，但直到最近幾年，這項顛覆性技術(shù)才開始顯示出實際潛力。

目前，腦機接口技術(shù)可以應用于醫(yī)學、教育、軍事、工業(yè)、娛樂等多種領(lǐng)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(xiàn)實設(shè)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(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接口這項技術(shù)的潛在應用方向之內(nèi)。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(tǒng)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)新一代人機交互和人機混合智能的顛覆性技術(shù)，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(shù)的重大研發(fā)計劃及投資項目。不過，各國的關(guān)注點各有側(cè)重。比如，美國更關(guān)注腦機接口如何促進更高效的功能實現(xiàn)，歐洲各個國家更關(guān)注腦機和人文關(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(shù)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(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(shù)據(jù)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(chǔ)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(chǔ)的統(tǒng)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(shè)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(chǎn)業(yè)界共同努力下，我國在腦機接口研究領(lǐng)域已經(jīng)形成了獨特優(yōu)勢，并且也展現(xiàn)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(chǎn)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(shù)瓶頸，主要體現(xiàn)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(shù)方面，腦機接口的本質(zhì)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(shù)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(xiàn)多類技術(shù)的融合，如何實現(xiàn)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(guān)注的重點，比如黑客攻擊、意念控制、數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)支持和資料方案，幫助他們?nèi)プ鲆恍Q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(lǐng)域的技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”作為跨學科交叉融合、并產(chǎn)生廣泛社會影響的前沿技術(shù)，腦機接口的發(fā)展需要科研、產(chǎn)業(yè)、政策、監(jiān)管等社會各個層面的關(guān)注與推進。

目前，無論國內(nèi)還是國外，腦機接口技術(shù)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(shù)已經(jīng)從實驗室逐漸走近了現(xiàn)實?？梢灶A見，隨著“中國腦計劃”的實施，未來腦機接口技術(shù)將在增強人類能力、改善健康和康復、提升生活質(zhì)量等多個方面發(fā)揮更大作用。