用意念控制VR/AR 脑机接口背后的神经科学

　　2018年11月27日，2016年底，由神经科学家拉美西斯·阿尔卡德(Ramses Alcaide)和密歇根大学校友共同创办的波士顿公司Neurable完成了200万美元的融资，并致力于开发能够支持用户直接通过意念控制VR和AR的软件。换句话说，一种能够将你的意图与计算设备联系起来的“大脑鼠标”。大脑想着朝左边移动，虚拟角色向左走;想着朝右边移动，虚拟角色向右走。

　　Neurable的第一个项目《Awakening》是这个脑机实验的概念证明。用户将穿戴内置电极帽的VR头显来开玩《Awakening》，而电机帽能够扫描头皮并读取大脑皮层所发生的电活动。在常规释放中，电活动模式将开始出现。系统能够通过脑电图(EEG)检测到以波浪状一致发射的神经元(EEG是一种测量其电压波动的非侵入性方法)。

　　Neurable的亚当·莫尔纳(Adam Molnar)表示：“我们所做的事情是，寻找我们随后用来控制体验的离散脑电波。”

　　想象一下你面前出现有三件物品。当你将注意力集中在玩具积木时，它开始发射光脉冲。在这一过程中，大脑将下意识地记录特定的闪烁模式。接下来，特定的神经元开始“发射”。Neurable的软件能够处理这种嘈杂的EEG数据，在其中寻找信号并将其转换为游戏命令：我想要的是这个。

　　这不是科幻作品，但你所扮演的角色显然与科幻作品中的人物相差无几。

　　《Awakening》将从扬声器系统的警告开始：“快醒醒，这不是测试。”你将扮演一名拥有超能力的政府囚犯，就像《怪奇物语》中的Eleven。你被囚禁在在一个不起眼的检查室里，而里面散落着几个玩具：积木，充气狗，以及一个球。它们以脉动光束闪烁，而每个都漂浮到空中，慢慢旋转，直到你将视线焦点转向下一个。对面墙上悬挂的是一面镜子，如果被砸碎，隐藏的键盘和出路将显现出来。你的目标是逃离房间。诀窍?没有双手，只有大脑意念。

　　你可以将Neurable的“读心技术”看作是一种简单的大脑阅读机器。他们改装的VR头显比标准的HTC Vive更加奇怪。它配备了六个笨重的电极，可以检测佩戴者的基本意图。来自如此脑机接口(BCI)的信号无法判断你是否感到饥饿，或者你正在回忆银行卡密码，但它可以从一组有限的选项中读取用户的意图。

　　莫尔纳解释说：“交互方法就像二进制点击一样，与电脑鼠标非常接近。”但是，脑电图并不一定是最强大的技术。

　　他继续道：“脑电图带来了一系列的挑战。它很难理解从神经元，通过头骨，来到头皮，然后再勉强传输进入脑电图传感器的大脑活动。一般来说，EEG数据非常嘈杂，因为很难获得清晰的信号。从微笑到眨眼，任何事情都会令本已难以接收的EEG信号更加混乱。”

　　正是出于这个原因，大多数实验室使用“湿电极”，或浸泡在导电凝胶中的电极来增强导电性并获取更清晰的EEG信号。然而，Neurable对干电极实验了一系列的优化方法。干电极与其凝胶对应物不同，我们在室外环境可以更方便地使用它们。

　　莫尔纳指出：“Neurable开发了一种能够处理信号处理的专有算法，这允许我们在更少数据的情况下理解大脑活动，而且结果更可靠。正因为如此，我们可以使用更少的干式传感器，因此无需应用导电凝胶的繁重任务，同时允许低到中等水平的身体活动，即行走，移动头部，而这对其他大多数EEG而言都相当困难。”

　　当这家企业刚开始的时候，他们采用了包含32个湿电极的电子帽，而相关过程需要30分钟的校准：你需要进行一定的心智练习，以便AI程序可以成功地对大脑模式进行分类并生成期望的动作。最近，Neurable已经将32个湿电极减少到6个干式EEG传感器，而且你仅需要2分钟的校准时间.

　　Neurable不是唯一一家正在试水脑机接口的团队。在过去数年间，一批又一批的科技企业已经将注意力转向这一领域。2017年，Facebook宣布由60名工程师组成的团队正在研发一种能够扫描大脑并将其“话语”翻译成文本的设备，从而实现无键盘打字。同年9月，埃隆·马斯克向播客主持人乔·罗根(Joe Rogan)表示他计划融合AI与人类大脑。

　　马斯克当时说道：“有了智能手机或计算机之后，你可以有多聪明呢?实际上，你会非常很聪明。你几乎可以立即回答任何问题。你可以完美进行记忆。你的智能手机可以完美地记住视频(和)图片。你的智能手机已经是你的延伸。你已经是一个半机械人。大多数人都没有意识到自己已经是一个半机械人。只是数据速率…它很慢，真的很慢。它就像是生物自我和数字自我之间的信息流。我们需要令这条小溪变成一条大河，变成一个巨大的高带宽接口。”

　　但尽管未来看似一片光明，但BCI仍需要数十年的时间发展。美国康涅狄格大学心理科学与生物医学工程系的神经科学家希瑟·雷德(Heather Read)博士表示：“BCI需要融入至你的身体，这样你才能成为一个机器人。”相比之下，基于EEG的BCI更像是骑自行车。这是我们自己的延伸，骑车比我们用双腿奔跑更快。“当能够将自行车作为自己身体的延伸并更快地前进时，没有人会犹豫。”雷德博士如是说道。

　　令人感到惊讶的是，自旋转拨号式电话时代以来，桥接心智和机器所需的技术已经以某种形式存在。脑机接口这个术语最早是由杰出的加州大学洛杉矶分校计算机科学系的创始成员雅克·维达尔(Jacques Vidal)教授于1973年创造。他当时就提出有可能在大脑和外部设备之间建立一种直接的沟通途径。

　　斯坦福大学神经科学家莎莲·弗莱什(Sharlene Nicole Flesher)说道：“EEG已存在数十年时间。老实说，我不认为未来10年，甚至20年内可以看到像EEG这样的技术有任何改善。尽管机器学习和人工智能的出现可以提供帮助，但EEG提供的信号可能正处于或接近于最高的性能水平。”

　　自2017年以来，雷德博士就作为学校的Brain Computer Interface Core部门主任，通过与麻省理工学院的合作，她的团队正在开发一种能够读取和调节人类大脑活动的技术，而且时间读数精度比人类反应时间快100倍。与弗莱什博士不同，她坚信未来二十年内读取大脑及其行为活动的能力将会变得更快，更准确。

　　她指出：“在用于VR/AR时，这种时间读数精度将能带来一个全新的实时神经调节领域，并可用于提供神经调节治疗。结合高速无线接口，这将有助于令BCI更加流畅，有效和有趣。”

　　但对弗莱什和雷德而言，脑机接口的真正未来在于脑内，亦即将脑机接口植入大脑之中。

　　弗莱什表示：“我期望在未来看到的技术改进在于电极设计。这会令向大脑植入某物的概念变得不那么吓人。”确实，向大脑进行植入是一个非常大的考验。在今天，侵入性脑部手术仍然停留于医学界，现代BCI植入物旨在帮助恢复失去的关键功能。但根据弗莱什的说法，娱乐行业可能会采用侵入性大脑植入物。她指出：“为游戏/便利之类的目的植入传感器有可能在40到50年之后实现。”。

　　但根据雷德的说法，我们甚至可能不需要等待那么长时间就能看到具备心灵感应能力的半机器人力量。

　　她说：“如果在20年到30年内有充足的远见和资金，当好处大于风险时，通过手术将传感器植入大脑和身体是可行的做法，这样你就可以‘遥控’控制设备，汽车和其他机器。”