近年來(lái)，可穿戴技術(shù)和計(jì)算智能的顯著進(jìn)步極大地提高了基于 EEG 的 BCI (eBCI) 的性能和能力，并推動(dòng)它們走出實(shí)驗(yàn)室，走向現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。這種快速轉(zhuǎn)換構(gòu)成了人機(jī)交互的范式轉(zhuǎn)變，它將在不久的將來(lái)深刻改變不同行業(yè)，包括醫(yī)療保健、娛樂(lè)、安全、教育和營(yíng)銷(xiāo)。

BCI的應(yīng)用，教育，娛樂(lè)

超越大腦的生物學(xué)限制，用意念與外部電子設(shè)備進(jìn)行交互和控制，這聽(tīng)起來(lái)像是遙遠(yuǎn)的半機(jī)械人的未來(lái)，但它可能比我們想象的來(lái)得更快。

實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界BCI應(yīng)用最有希望的方法是通過(guò)腦電圖，一種通過(guò)腦電活動(dòng)非侵入性監(jiān)測(cè)大腦的方法。在廣泛使用之前，基于EEG的BCI(簡(jiǎn)稱eBCI)需要多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，但更重要的是，它們將引發(fā)各種社會(huì)、倫理和法律問(wèn)題。來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員對(duì)現(xiàn)代商用腦機(jī)接口(BCI)設(shè)備進(jìn)行了綜述，他們?cè)贏IP Publishing 的 APL 生物工程中首先介紹了BCI相關(guān)技術(shù)原理，也討論了這些設(shè)備的主要技術(shù)限制和倫理問(wèn)題。

無(wú)創(chuàng) EEG 傳感器用于獲取大腦皮層神經(jīng)元產(chǎn)生的電信號(hào)。EEG 信號(hào)既可以從大腦自發(fā)的內(nèi)源性活動(dòng)中獲得，也可以由外源性刺激誘發(fā)。對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后提取、選擇、分類(lèi)和翻譯特征以解碼用戶意圖。然后使用數(shù)字命令來(lái)驅(qū)動(dòng)不同的輸出致動(dòng)器設(shè)備，例如假肢、外骨骼、車(chē)輛或輔助軟件。下圖描述了 eBCI 操作涉及的主要階段。

圖 1. 基于 EEG 的腦機(jī)接口的架構(gòu)

下面圖示為腦電圖的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)。圖(a)腦電圖信號(hào)反映大腦皮層錐體神經(jīng)元群同步激活的腦電活動(dòng)。興奮性突觸后電位(EPSPs)通過(guò)垂直于皮層表面的電荷分離產(chǎn)生偶極子。圖(b)神經(jīng)元之間的通信是由突觸介導(dǎo)的。動(dòng)作電位到達(dá)突觸前末梢導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)(NT) 囊泡釋放到突觸間隙，然后擴(kuò)散到達(dá)突觸后末梢的膜受體并觸發(fā) EPSP。圖(c)大腦新皮層分為六層(I-VI)，具有不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征。腦電圖信號(hào)主要由位于第III層和第v層的錐體神經(jīng)元產(chǎn)生。這些神經(jīng)元在空間上垂直于皮層表面排列，形成一個(gè)垂直于頭皮表面的偶極子層。腦電圖活動(dòng)是通過(guò)記錄頭皮上不同位置的電壓差異來(lái)測(cè)量的，這些電壓差異構(gòu)成了每個(gè)記錄電極附近數(shù)千個(gè)神經(jīng)元突觸后電位的總和。圖(d)為了到達(dá)頭皮電極，腦電圖信號(hào)要穿過(guò)幾層具有不同傳導(dǎo)特性的非神經(jīng)組織，這會(huì)使信號(hào)衰減。圖(e)電極按確定的配置放置在頭皮上，這取決于被監(jiān)測(cè)的驅(qū)動(dòng)eBCI控制的皮層功能區(qū)。

腦電圖的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)

雖然很難確切地理解用戶在使用eBCI 操作外部設(shè)備時(shí)的體驗(yàn)，但有幾件事是確定的。一方面，eBCI 可以雙向通信。這允許一個(gè)人控制電子設(shè)備，這對(duì)于需要幫助控制輪椅的醫(yī)療患者特別有用，但也有可能改變大腦功能的方式。

BCI 介導(dǎo)的環(huán)境控制。EEG、EOG 和 EMG 數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和解釋可用于操作嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者的環(huán)境控制系統(tǒng)。

該項(xiàng)研究報(bào)告的作者之一RylieGreen表示:“對(duì)其中一些患者來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備已經(jīng)成為他們自身的一部分，以至于在臨床試驗(yàn)結(jié)束時(shí)他們拒絕摘除這些設(shè)備?！薄霸絹?lái)越明顯的是，神經(jīng)技術(shù)有潛力深刻塑造我們自己的人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)和自我意識(shí)?！?/span>

除了這些潛在的精神和生理副作用外，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題也是一個(gè)問(wèn)題，可能允許開(kāi)發(fā) eBCI 技術(shù)的私營(yíng)公司擁有用戶的神經(jīng)數(shù)據(jù)。

“這尤其令人擔(dān)憂，因?yàn)樯窠?jīng)數(shù)據(jù)通常被認(rèn)為是最私密、最私人的信息，”另一位作者(Roberto portillo lara表示?！斑@主要是因?yàn)?，除了診斷價(jià)值外，腦電圖數(shù)據(jù)還可以用來(lái)推斷情緒和認(rèn)知狀態(tài)，這將為了解用戶意圖、偏好和情緒提供非常有價(jià)值的信息?！?/span>

另外，在獲得這些技術(shù)方面的差距可能會(huì)加劇現(xiàn)有的社會(huì)不平等。例如，eBCIs可以用于提高認(rèn)知，并導(dǎo)致學(xué)術(shù)或職業(yè)成功和教育進(jìn)步的極度失衡。

研究者Rylie Green說(shuō):“這一黯淡的景象帶來(lái)了一個(gè)有趣的難題，即決策者在BCI商業(yè)化過(guò)程中所扮演的角色?！薄氨O(jiān)管機(jī)構(gòu)是否應(yīng)該進(jìn)行干預(yù)，以防止濫用和不平等地使用神經(jīng)技術(shù)？”社會(huì)是否應(yīng)該遵循以前的創(chuàng)新方式，例如互聯(lián)網(wǎng)或智能手機(jī)，它們最初瞄準(zhǔn)的是小眾市場(chǎng)，但如今已在全球范圍內(nèi)商業(yè)化?”

研究人員呼吁全球政策制定者、神經(jīng)科學(xué)家、制造商和這些技術(shù)的潛在用戶盡早開(kāi)始這些對(duì)話，并展開(kāi)合作，為這些棘手的道德問(wèn)題提供答案。

研究者Rylie Green表示，“盡管存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，但將人類(lèi)思維的復(fù)雜性與現(xiàn)代技術(shù)能力相結(jié)合的能力構(gòu)成了前所未有的科學(xué)成就，它開(kāi)始挑戰(zhàn)我們對(duì)人類(lèi)的先入之見(jiàn)”。

參考

https://www./releases/2021/07/210720114405.htm

Roberto Portillo-Lara, Bogachan Tahirbegi, Christopher A.R. Chapman, Josef A. Goding, and Rylie A. Green. "Mind the gap: State-of-the-art technologies and applications for EEG-based brain-computer interfaces. APL Bioengineering, 2021

DOI: 10.1063/5.0047237