脑机接口前沿—扫描破解大脑

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语,首发于他的同名微信公众号。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

为了无创读取大脑内部的神经电信号,人们想出了很多手段,下面继续介绍其他非侵入式的脑机接口技术。

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功能性核磁共振 fMRI

由于神经细胞本身并没有储存糖类或者氧,而神经元放电必然消耗能量,因此血氧水平(blood oxygenlevel-dependent, 血氧依赖水平)可以间接反映神经元活动。给实验者播放影像,通过fMRI读取血氧信号,把已知的影像特征与血氧信号结合,从而通过机器学习得到模型,破解大脑的视觉原理,重建实验者看到的人脸,甚至还可以读取梦境。

fMRI的缺点在于血氧变化与神经电信号并不同步,血氧信号的峰值一般比神经活动滞后6s左右。

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通过血氧重建视觉的结果与原图对比,来自理论物理学家和科普作家加来道雄的演讲ppt,他表示MRI设备小型化的物理极限是手机尺寸。

功能性近红外光脑成像fNIRS

功能性近红外光脑成像(fNIRS),与刚才介绍的功能性磁共振成像(fMRI)类似,都是利用血流和血氧变化来测量大脑活动。区别在于fMRI利用磁阵造影成像,而fNIRS则利用血管中血红蛋白对于近红外光的散射性变化:特定光源向用户投射光线,由图像传感器通过光学窗口监测血管的图像数据,血液颜色由于氧含量的变化产生改变。

与fMRI对比,fNIRS成本较低,比如日本日立高新技术的消费级脑活动检测装置预计价格1万至1.5万日元(约合人民币507至760元),有望2016年产品化。但是fNIRS空间分辨率低。从脑活动到血流变化存在5秒左右的时间延迟,因此其实时性比上篇提到的EEG要差。并且因为依靠大脑内部的血流变化过程,难以检测大脑瞬间的变化,因此时间分辨率也较低。

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日立制作所的穿戴式NIRS

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类似的原理也用在了Apple watch背部的传感器,通过监测血氧来推算心率,该功能尚未开放给应用开发者。

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类似的原理也用在了中科微光的投影式红外血管成像仪,将皮下血管原位投影显示在皮肤表面,帮助医护人员识别患者皮下细微血管进行精准穿刺,比肉眼识别效果更好。

脑磁图(MEG)

根据麦克斯韦方程,任何电流都会产生一个正交磁场。脑磁图(Magnetoencephalography ,MEG)主要通过测绘脑内神经细胞脉冲电流产生的生物磁场,来间接推算大脑内部的神经电活动。脑磁测量不容易受到介质的影响,所以空间分辨率比EEG更高。但是因为敏感度高,容易受到环境干扰,所以需要严密的电磁场屏蔽室,并且设备昂贵笨重。

在实际应用当中,MEG主要用于活动时间测量。 MEG可以解决事件具有10毫秒或更高的时间精度,而功能性磁共振成像(fMRI)依赖于血流变化,时间分辨率最高只有几百毫秒。

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非侵入式的几种手段都存在各自的不足,因此需要多种技术配合,取长补短:

2010年日本国际电气通信基础技术研究所(ATR)和日本信息通信研究机构(NICT)开发出了通过非侵入式测量,连续推断并再现用户指尖动作二维坐标的脑机接口。具体为,将时间分辨能力高的脑磁(MEG)和空间分辨能力高的核磁共振(fMRI)结合。虽然在性能和实际效果方面达到了非侵入式脑机接口领域的顶尖水平,但是这两种设备都有昂贵笨重的缺点,因此为了实用化,也在开发使EEG和NIRS相结合也可利用此次的技术。

随后2014年,日本国际电气通信基础技术研究所(ATR)等联合开发出了辅助老年人及残疾人日常生活的低成本脑机接口,演示了通过脑机接口执行开电视、开空调、开灯三种动作。根据实时脑活动判断用户意图,准确率达到84%。

该脑机接口以近红外光脑成像(NIRS)为主,只用于操控家电。而脑电EEG辅助,只用于检测用户的不适感等情绪。与上面的技术方案相比效果严重缩水,最后的总体延迟时间为17秒左右,这样的时间延迟,对于老年人和残疾人还不如直接用语音识别控制。

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