研究無邊無際的“星河”，深刻探索“黑洞”的奧秘;出版《時(shí)間簡(jiǎn)史》、《果殼中的宇宙》……史蒂芬·威廉·霍金，科學(xué)界神一般存在的物理天才，20世紀(jì)享有國(guó)際盛譽(yù)的偉人之一。

有誰能想象到，就是這樣一位全身癱瘓、不能言語、大半生困于輪椅中的肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥(俗稱“漸凍癥”)病人，僅僅靠著唯一能動(dòng)的雙眼和3根手指與外界聯(lián)系，艱難地描繪他的偉大的物理學(xué)夢(mèng)境;后來在氣管切開術(shù)與漸凍癥的雙重夾擊下，使用“拼寫板”靠目光拼出字母來進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。其后借助單個(gè)按鍵的鼠標(biāo)操作電腦打字，打字后通過語音合成器讀出文本。在許多科學(xué)家的幫助下，霍金也曾嘗試過一段時(shí)間的“眼動(dòng)追蹤技術(shù)”和“腦電波識(shí)別術(shù)”，但都因不習(xí)慣以及疾病逐步惡化而放棄。如果在今天，在“手寫腦機(jī)接口”技術(shù)的輔助下，相信霍金一定能靠著意念快速打字，順暢地打開和宇宙對(duì)話的大門，再次書寫他的人生傳奇。

科幻大片中的場(chǎng)景成為現(xiàn)實(shí)

今年5月中旬，國(guó)際權(quán)威期刊《自然》的封面發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果：來自斯坦福大學(xué)、布朗大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院的知名科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了全新的腦機(jī)接口技術(shù)，能夠幫助癱瘓病人直接將腦海里的“想法”轉(zhuǎn)換為電腦屏幕上的手寫文字，由此使“打字”速度突飛猛進(jìn)，每分鐘高達(dá)90個(gè)字符，僅僅略低于研究對(duì)象同年齡層人群用手機(jī)的一般打字速度(每分鐘115個(gè)字符)。這個(gè)結(jié)果聽起來如此不可思議，貌似只會(huì)在科幻大片中才有的場(chǎng)景，今日終于初見端倪，有望讓霍金一樣癱瘓、失語的患者“恢復(fù)”快速精細(xì)的動(dòng)作，重新找回聯(lián)系外界的“路徑”。(記者 李麗云)

以上科研成果的發(fā)布，再次將“腦機(jī)接口”這一熱詞納入公眾視線，拉高了廣大群眾尤其是特殊人群對(duì)“人機(jī)對(duì)話”的無限憧憬和熱切期待。近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院生物體傳感技術(shù)課題組曹天傲博士在接受記者采訪時(shí)，對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行了全方位科普解讀。

曹天傲博士自本科以來一直追蹤和研究生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，如生物信號(hào)處理、主動(dòng)康復(fù)機(jī)器人、腦電信號(hào)與肌電信號(hào)融合、傳感器信號(hào)處理等，目前已發(fā)表論文10篇。其中，SCI(科學(xué)文獻(xiàn)索引)論文3篇，EI(工程索引)論文7篇;專利受理6項(xiàng)。科研方向?yàn)槊}搏波、腦電和肌電等人體生物電信號(hào)處理及應(yīng)用，在無線體域網(wǎng)中血氧和心率傳感節(jié)點(diǎn)研究、基于腦電信號(hào)的突發(fā)性疼痛識(shí)別，以及肌電信號(hào)控制假肢等研究項(xiàng)目中均有建樹。

腦機(jī)接口連通“信息孤島”

人的大腦，無時(shí)無刻不進(jìn)行著各種各樣的復(fù)雜神經(jīng)活動(dòng)，其蘊(yùn)含的信息也多種多樣，例如麻醉、睡眠、疼痛、專注度、疲勞度、肢體運(yùn)動(dòng)信息，等等。而當(dāng)人類出現(xiàn)外在反應(yīng)時(shí)，其大腦活動(dòng)已先一步發(fā)出指令。我們的大腦就是“司令部”，發(fā)出最原始的第一手信息。肢體則是下屬各個(gè)“兵團(tuán)”，負(fù)責(zé)執(zhí)行大腦的命令，完成對(duì)應(yīng)的任務(wù)。

曹天傲解讀說，正常人在進(jìn)行內(nèi)心意圖表達(dá)時(shí)，可通過語言文字、肢體動(dòng)作和表情神態(tài)等多種“工具”來傳達(dá)，周圍的人很容易理解。但是癱瘓患者、失語病人以及其他各種各樣表達(dá)有困難的群體，盡管他們的大腦思考速度與正常人無異，但在信息時(shí)代，使用智能設(shè)備、與周圍人交流時(shí)，卻十分困難，很難通過外在表現(xiàn)傳遞他們的思想活動(dòng)及意圖，因此帶來諸多的不便與誤解，猶如被流放到了“信息孤島”上。

曹天傲通俗地解釋說，腦機(jī)接口技術(shù)，即通過直接探究大腦運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部的神經(jīng)細(xì)胞簇的活動(dòng)，從源頭上獲知“司令部”發(fā)出的最原始的第一手信息，例如控制肢體以什么速度、什么方位、多大力量、運(yùn)動(dòng)多長(zhǎng)時(shí)間;再如大腦中繪制什么樣的圖畫，編輯什么文本信息……其原理是不同的思想活動(dòng)對(duì)應(yīng)不同的神經(jīng)細(xì)胞簇的活動(dòng);具體來講，就是在不同的思想活動(dòng)中，各個(gè)神經(jīng)細(xì)胞有不同的放電模式，存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要能識(shí)別出神經(jīng)細(xì)胞的放電模式，就能判斷出對(duì)應(yīng)的思想活動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)被試者大腦活動(dòng)的破譯工作。

在此之前，腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)成功幫助癱瘓患者做簡(jiǎn)單的動(dòng)作(比如伸手或操縱大型物體)。繼馬斯克公司在今年4月向公眾展示猴子用意念玩游戲后，腦機(jī)接口研究便被癱瘓病人寄予了更大期望。打字方面，患者可以通過眼球轉(zhuǎn)動(dòng)追蹤鍵盤，選擇想要的字母，拼接成單詞，以此類推，最終形成完整的句子。漸凍癥病人也能靠眼神進(jìn)行頻道切換，以收看自己喜歡的電視節(jié)目。通過眼球每分鐘能打出大約47.5個(gè)字符，比正常敲字的速度要慢許多，且可能對(duì)患者的身體造成一定程度的損害。之后發(fā)明了腦控鼠標(biāo)光標(biāo)，依次選擇想要的字母，形成單詞和句子，每分鐘打出的字符不超過90個(gè)。而當(dāng)前最新的專門用于打字的腦機(jī)接口技術(shù)更為靈活，使癱瘓病人的打字交流速度明顯加快，且無需視覺提示，不占據(jù)用戶的視覺注意力，對(duì)大腦損害小。

用大腦信號(hào)打字不再是夢(mèng)

曹天傲認(rèn)為，作為真正的世界前沿性成果，“手寫腦機(jī)接口”技術(shù)從各個(gè)環(huán)節(jié)增強(qiáng)了“打字”的準(zhǔn)確度和加速度。該技術(shù)首先選取了植入大腦的微型電機(jī)陣列，保障了腦電信號(hào)的采集質(zhì)量及其豐富性。腦電信號(hào)是大腦中多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的外在表現(xiàn)，且信號(hào)質(zhì)量隨著遠(yuǎn)離神經(jīng)細(xì)胞簇而降低。針對(duì)“打字”這項(xiàng)艱巨的任務(wù)，非侵入式的表面頭皮腦電信號(hào)無法滿足要求。而微型電機(jī)陣列好比國(guó)際象棋的棋盤，在用戶想象要寫的字母時(shí)，植入大腦的電極可以捕捉和測(cè)量許多神經(jīng)元的電活動(dòng)，更加精確地落實(shí)大腦“司令部”的詳細(xì)指令，以滿足“打字”的要求。

曹天傲進(jìn)一步解釋：信號(hào)采集之后，通過有線傳輸?shù)姆绞?，使得信?hào)中的有效成分得到盡可能多的保留，避免了無線傳輸中部分信息的耗損。將信號(hào)去除噪聲后，需要解碼其中包含的“打字”內(nèi)容。研究人員用人工智能模型學(xué)習(xí)神經(jīng)活動(dòng)和真正寫字時(shí)手指活動(dòng)的映射關(guān)系，針對(duì)特定的手指活動(dòng)對(duì)應(yīng)特定的字符，從遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)每個(gè)字母產(chǎn)生的神經(jīng)活動(dòng)模式，并分析這些活動(dòng)模式在多個(gè)試驗(yàn)中的關(guān)系，利用降維手段生成聚類圖。算法會(huì)用此信息預(yù)測(cè)當(dāng)前試驗(yàn)中參與者所想象的字母，并將相關(guān)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換為印刷輸出。然后再用一個(gè)語言模型(通過前幾個(gè)字符預(yù)測(cè)下一個(gè)字符)對(duì)輸出的初始結(jié)果進(jìn)行校正，使最終屏幕上呈現(xiàn)的結(jié)果(文字)更加精準(zhǔn)。

與此同時(shí)，美國(guó)斯坦福大學(xué)領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)也做了大量的前期工作，例如篩選神經(jīng)活動(dòng)明顯的被試者，從源頭上提高采集信號(hào)的質(zhì)量及可識(shí)別性。選定理想的被試者后，需要開展大量的訓(xùn)練，以培養(yǎng)受試者對(duì)26個(gè)字母的敏感性，形成特定記憶，相應(yīng)地產(chǎn)生特異的可識(shí)別腦電信號(hào)。不過，很少有用戶能夠連續(xù)幾個(gè)小時(shí)堅(jiān)持思考自己要寫的內(nèi)容。鑒于長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練的疲勞與枯燥，研究人員嘗試借助一種數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法，即先前由參與者生成的神經(jīng)活動(dòng)模式可用于生成人工語句，然后在人工語句基礎(chǔ)上做訓(xùn)練。他們還通過在神經(jīng)活動(dòng)模式中引入人工可變性來擴(kuò)展訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以模仿人腦中自然發(fā)生的變化。這種可變性有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦機(jī)接口技術(shù)更加穩(wěn)定。

為便于廣大讀者更好地理解“手寫腦機(jī)接口”技術(shù)，曹天傲還生動(dòng)地比喻說：人體動(dòng)作的傳達(dá)，經(jīng)歷了大腦“司令部”到各個(gè)器官肢體“正規(guī)軍”的層層指令。對(duì)于癱瘓病人來說，其大腦“司令部”雖然工作如常，但肢體功能已經(jīng)受損，相當(dāng)于“正規(guī)軍”的戰(zhàn)斗力被嚴(yán)重削弱，不能有效地完成“司令部”下達(dá)的作戰(zhàn)命令。為了避免大腦“司令部”淪為“光桿司令”，腦機(jī)接口技術(shù)則“代為傳達(dá)情報(bào)”，另辟蹊徑獲取信號(hào)傳導(dǎo)通路中的信息，并交給配套設(shè)備等“預(yù)備役”，例如人機(jī)互動(dòng)界面、外骨骼、假肢、康復(fù)機(jī)器人，等等，用來代替“正規(guī)軍”并實(shí)現(xiàn)“正規(guī)軍”本該完成的工作任務(wù)。