成功实现亚微伏级非侵入式脑机接口信号识别，天大青年学者获华为资助，消费级“脑机”还有多远？

尖山 · 发表于: 2023-4-23 13:59:22

源自：DeepTech深科技

　　脑机接口是一种特殊的通讯系统，它能够让大脑与外界设备产生直接的信息交流，从而实现所谓的“意念控制”，在神经科学、医学和虚拟现实中具有潜在的应用。
　　这项多领域交叉的前沿技术，任何一个技术环节出现短板皆会造成系统整体性能的严重下降。极微弱脑电信号的准确识别、自然的人机交互方式、方便的硬件装置等等，都是非侵入式脑机接口必须克服的瓶颈。
　　天津大学医学工程与转化医学研究院副院长、天津大学生物医学工程系教授许敏鹏，围绕非侵入式脑机接口的机制模型、编码范式、解码算法、硬件装置以及理论体系，开展了全面深入的研究。他在国际上首次实现了 0.5μV 极微弱脑电特征的准确识别与高效应用，所开发的高速算法在信息传输率关键核心指标方面做出重要突破，正在针对消费级脑机接口产品开展软硬件研究。
　　凭借非侵入式脑机接口的关键技术突破和该技术在载人航天、康复医学等重大领域的工程应用，许敏鹏成为 2022年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

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　　图 | 2022年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者许敏鹏

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　　成功识别微弱信号，实现自然友好的人机交互
　　思维的物质基础是神经活动，而神经活动表现为电信号。通过电极捕捉电信号，将信号与思维建立起一一对应的映射关系，便是对思维的解码。
　　通过开颅手术将电极埋入大脑皮层，侵入式脑机接口可以获取高质量信号。但手术会面临创伤、排异反应等风险，该方法通常只用于重症患者，其功能的发挥受到极大限制。
　　非侵入式脑机接口的电极与目标神经元距离较远，需要从头皮下数以亿计神经元同步放电的信号中识别目标神经元的信号，虽然比侵入式安全，但解码困难。若依旧用仅能识别 2μV 信号的传统非侵入式脑机接口，则只能捕捉离散指令这类比较粗糙的心理活动，如打字。
　　博士期间，许敏鹏专注于一种最重要的脑电波控制信号──事件相关电位──的机制模型，首次在同一实验中观测到了两种存在争议的、彼此矛盾的事件相关电位机制模型互相转换的现象，这为进一步理解事件相关电位的发生发展过程，从而指导脑机接口范式与算法的设计提供了重要的理论基础。
　　基于前期的研究，博士毕业后许敏鹏主攻极微弱脑控信号解码算法，实现了亚 μV 脑电识别。该工作被国际生物医学工程学会会刊 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 评选为封面论文，并受到华为的高度关注，华为予以专项资助开发商用技术，相关技术获得中国和美国专利。
　　亚 μV 级的信号识别使连续指令成为可能，比如可以识别大脑想做的某个动作，这对于患运动功能障碍的使用者十分重要且实用。另一个关键的方面是，这也改善了先前不自然的脑机交互方式。
　　先前通过非侵入式脑机接口，在电子屏幕的“脑控键盘”上实现打字功能时，“键盘”（屏幕）上的每个字母周围需要有强烈的闪烁，为的是诱发大脑产生较强烈的目标脑电信号以被成功识别、解码。显然，这样的视觉刺激令打字过程十分痛苦。
　　“而当可识别的信号精细到亚 μV 后，闪烁刺激可以大幅削弱，增强了脑机交互的友好性。”许敏鹏在 2018年实现了这一成果；五年后的现在，“视觉刺激已可以做到近似于无。”除了脑控键盘，许敏鹏团队近期还在非侵入式脑控鼠标方面取得重要突破。

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　　人机交互友好性的另一方面体现在硬件装置上。脑机接口系统通常包括电极、放大器和脑电帽等配件，其硬件形态及穿戴方式直接决定了脑机接口的潜在应用场景。例如，为获取高质量的脑电信号，大多数研究使用的脑电采集设备体积大、质量重、便携性差，仅能用于科学研究和医疗场景。
　　消费级的脑机接口要求集成化、轻量化、便捷化、应用化。对此，许敏鹏表示预期目标是实现体积微小的发夹式脑电放大器，从而在记录脑电信号的时候可以将装置隐藏于头发内，实现隐形的脑电信号采集。

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　　恢复神经功能、辅助太空作业，或可颠覆未来生活方式
　　作为一位应用派的科研工作者，许敏鹏认为任何技术发展的最终归宿都是落地应用。
　　他设计开发了针对脑卒中运功功能康复的脑机接口子系统，核心模块已获得医疗器械注册证，并在多家三甲医院开展多中心临床测试。

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　　图 | 康复机器人示意图（源自：受访者提供）
　　脑卒中是由脑出血或脑缺血导致的神经坏死引起，患者通常有偏侧运动功能/感觉/视觉障碍。神经元是分化程度最高的细胞，再生能力、分裂能力很低，坏死的神经难以恢复；另一方面，神经细胞的树突、轴突结构可以“生长”。脑机接口的康复原理，便是通过刺激坏死神经细胞的上、下游的健康神经细胞树突、轴突的生长，使其绕过坏死细胞重新相连，重新打通神经信号通路。
　　基于脑机接口的人工神经康复机器人，配合患者在高度集中精力的状态下不断反复地进行“想”做某种动作的训练，神经通路可得以重建。许敏鹏介绍，已有偏瘫患者通过五个月的训练恢复了写字能力；而目前也已进行了上千例的临床试验。
　　此外，许敏鹏还作为技术骨干研制了“天宫二号”太空脑控键盘，成功完成人类历史上首次太空脑机接口实验，验证了脑控技术的在轨适用性，对提高太空环境作业的便捷性有重要意义。
　　“作为元宇宙六大技术之一，非侵入式脑机接口技术必将成为新一代的颠覆性人机交互技术。”许敏鹏解释道，手机是将智能机器置于手中“把玩”，它的出现彻底改变了人类的通讯、消费、娱乐与工作方式；而非侵入式脑机接口一旦成为消费级产品，我们可以称之为“脑机”，它将智能机器与大脑直连，让用户用意念与外部世界交流，这必将颠覆人类现有的生活方式。
　　运营/排版：何晨龙

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[2023年] 成功实现亚微伏级非侵入式脑机接口信号识别，天大青年学者获华为资助，消费级“脑机”还有多远？