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脑机接口科普文

Posted by 陈锐CR on November 19, 2020 | 阅读

脑机接口科普文

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每写一篇文章都是对自己知识的梳理,这也是我初衷的所在。当然在对所讲述的知识时,我也是尽可能的用浅白的话语阐述清晰,这也为很多同学扫盲了很多知识点吧,至少在我认为是这样的,我也希望如此。有些人会觉得这些内容很基础,其实万丈高楼平地起,是需要扎实的基石的,不要看不起每个知识点,也不要忽略每一个不起眼的知识,就好像读万卷书,这里的万卷书也是包括“好书”和“坏书”的,不论什么样的书都得看,你才能分辨哪些是“好”与“坏”。今天,我们要谈到的内容是,我在我的朋友圈看到的一条动态(如图),我虽然简答了一点,不过我还是觉得,我们可以来仔细谈谈这些问题,它们会非常受用。

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图中的问题,在知乎上也是有很多类似的提问,也会有很多不了解的人产生的一些焦虑。

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1、脑电波是什么?

通常我们认为的脑电波是Electroencephalogram,简称EEG。它是大脑在活动时,大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。它记录大脑活动时的电位变化,是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。

在人活着的状态下,脑细胞是无时无刻在进行自发性、 节律性、 综合性的电活动变化, 将这种电活动的电位作为纵轴, 时间为横轴, 记录下来的电位与时间相互关系的平面图 即为脑电图( electroencephalograph, EEG)。

曾经在公众号也分享了一张图,这里面的几种方式均是采集电信号的变化。image-20201119163613286

LFP:场电位,入侵式的,记录低频信号,认为是在一定范围内的电极针的电信号总和。

Spikes:锋电位,入侵式的,高频信号

Ecog:颅内电位,入侵式的,局部皮层信号,可参考 皮层电图(ECoG)

2、脑电波控制是什么?

这里个人理解的控制就应该是指脑机接口了,那么脑机接口是什么呢?

我在很早之前就介绍过脑机接口的定义了,这里简要阐述一下。脑机接口(BCI)也称为脑机接口(BMI)或神经接口,是一种在大脑与外部设备之间建立直接通信的系统。具体内容可参考 脑机接口的简介

3、脑电波读心术是什么?

这里的“读心术”,我认为是一种数据信号的提取,提取的是脑电波信号的特征,然后根据特征信号来判断这个人的当时所处的状态。在我所培训的过程中,基本上会提到脑电中的节律信号,这类信号是在特定的状态下有规律的产生的。

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我们所采集下来的脑电波信号是一种混合信号,它会由多种不同规律的信号组合而成(如下图),在特定状态下,某个频率的波形信号会更明显,这也能说明当时这个人的状态是怎样的。

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4、脑电波意念控制是什么?

这个问题应该是基于第二个问题上的,应该是说,脑机接口它是如何实现的,怎么样通过大脑所想控制某个物体。在脑机接口的实现过程中,不仅仅只有脑电技术,还有诸如通过血流信号、肌电信号等也能来实现。这里引用我之前写过的文章《 使用脑电设备实现BCI脑机接口的运用》里的图,来解释实现的过程,一目了然。

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首先,通过专用设备,采集到人脑中的脑电波(EEG),通过对信号特征的提取,将其转化为控制命令,然后来控制某个物体的运动,同时呢,该运动的设备会给予某种反馈给到人脑。

在这里,我们来延伸一下,脑机接口的实现,我们除了意念控制外,还能有哪些用处?

脑机接口商业化的推动,可以说马斯克这个人做了很大的工作,但是,我们也要警惕的是入侵式的脑电技术,对于正常人来说,可能还需要发展很多年。在这里,我们就来谈谈,基于BCI做认知康复和神经康复的前景。

在上面实现图中最后一步时反馈,这个反馈在很大程度上就是神经认知的反馈,这个反馈是什么,是我们大脑发出的信号所获得的神经反馈,比如,生物电反馈(心跳、呼吸、脉搏等),当我们在紧张或者是放松时,我们所获得的这些反馈就是不一样的。在大脑中,也是类似的结果。基于此,如果我们用神经认知反馈,那么我们能不能用来训练脑功能康复呢,显然,这是可行的,大脑控制着我们很多方面(记忆、注意力、运动等),主要可用于以下方面,它将是有益的。

1、运动康复

由于中风或脊髓损伤而遭受运动障碍的这类人,我们可以通过采集患者尝试使瘫痪的肢体运动的脑电波信号,将运动意图从EEG活动中解码出来,并转换为用于促进运动系统的控制命令(第三方设备可以使用外骨骼机器人)。

2、认知康复和增强

虽然运动功能的改善是运动障碍患者的主要目标,但认知能力的改善对有或没有任何特定脑疾病的人来说都是很受益的。基于神经技术的认知反馈就可以帮助到某些精神病和心理疾病(ADHD、抑郁症等)还有一些正常人想要的正念认知行为(注意力等)。

5、怎么完全不被脑电波控制?

这个问题有点感觉是惧怕脑电波的控制。首先,我确信它一点也不可怕,并有点可爱。对它的更深的理解,将有助于解码更多的大脑黑箱。但同时,我们也要注意到控制的伦理问题,我想这才是问题的所在吧。发表在Nature杂志上的文章《Four ethical priorities for neurotechnologies and AI》谈到这些技术的四个问题。

1、Privacy and consent隐私权和同意

就我所了解的脑科学实验中,每个实验理应签署同意和隐私权,以保证数据不会被用于商业性的宣传等。

2、Agency and identity身份认同

在本文谈到实验过程中,有些人通过植入大脑的电极受到深脑刺激,实验后的过程他们感觉到不适应的认同感。

3、Augmentation增加耐受性

如果人们的身体或大脑运作方式与大多数人不同,那么他们经常会遭遇偏见。采用加强神经技术,例如那些使人们能够从根本上提高其耐力或感官或心理能力的技术,可能会改变社会规范。

4、Bias.偏见

受试者群体的偏见。

更多伦理性的问题,可参考以上文章。

最后,我相信未来的脑机接口的技术会更加完善,应用的产品会更多。对临床和社会都会有很大的益处。


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本文作者:Chen Rui

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