意念頭箍大腦支配生活變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？

李露

想象一下，依靠大腦的一個(gè)意念，你就可以打開臥室的壁燈，或發(fā)動(dòng)自己的轎車。

在過去的幾十年中，這種設(shè)想僅存在于科幻小說中，但是近年來腦機(jī)交互研究發(fā)展迅速，

配合智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，逐漸讓大腦操控行為這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

你能夠戴上一個(gè)“意念頭箍”，然后命令眼前的物品移動(dòng)。

可穿戴設(shè)備是近年來一項(xiàng)重要發(fā)明。它是用戶可以穿戴在身上的智能設(shè)備，結(jié)合了云計(jì)算、數(shù)據(jù)交互、軟件處理等強(qiáng)大IT技術(shù)，給人們的生活帶來極大便利，呈現(xiàn)出一種全新的智能感知效果，諸如可視頻、可拍照的Google Glass，可檢測(cè)人體健康指數(shù)的Nike+等等?！耙饽铑^箍”的發(fā)明結(jié)合了生物信息學(xué)、神經(jīng)學(xué)、信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等知識(shí)，是智能穿戴技術(shù)的又一大新興應(yīng)用。

Emotiv Insight：“拉回”“消失”

一期關(guān)于“意念頭箍——Emotiv Insight”的TED演講展示，深深吸引了我。這一外觀酷炫的頭箍已在眾籌網(wǎng)站“Kickstarter”上融資超過160萬美元。Emotiv Insight是一個(gè)頭戴式的簡(jiǎn)易腦電波傳感器（即“意念頭箍”），它能夠?qū)⒊休d著運(yùn)動(dòng)指令的腦電波轉(zhuǎn)化成實(shí)際有效的機(jī)械命令，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式的大腦操控技術(shù)。在演講中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者勒譚女士請(qǐng)一位觀眾頭戴該產(chǎn)品，并在相應(yīng)的電腦系統(tǒng)中建立新的用戶文檔，來記錄該用戶腦電波的原始信息。程序窗口中有進(jìn)行運(yùn)動(dòng)示范的方塊，窗口左下角是記錄、保存、實(shí)施腦指令的進(jìn)度條。隨后，這個(gè)觀眾在大腦中想象“拉回”這一命令，進(jìn)度條加滿，程序窗口中的方塊逐漸變大，向用戶接近。他又嘗試了一項(xiàng)更為困難的指令——“消失”，經(jīng)過幾次嘗試，臺(tái)下觀眾們驚喜地發(fā)現(xiàn)程序窗口中的方塊逐漸變淡消失了！

那么，人的大腦活動(dòng)這一看不見摸不著的“意念”，如何就能轉(zhuǎn)化成方塊拉近、消失的機(jī)械行動(dòng)？這是Emotiv Insight等意念頭箍背后的核心技術(shù)，也是勒譚女士帶領(lǐng)的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過程中遭遇的兩大挑戰(zhàn)。

首先，大腦中的“意念”如何被有效地獲?。吭瓉?，承載著不同“意念”的腦電波信號(hào)在幅度、頻率、分布軌跡上都有各自的特點(diǎn)。我們需要記錄的，不是抽象的“想法”，而是實(shí)際存在的信號(hào)。但是，另一個(gè)難題出現(xiàn)了：如何才能識(shí)別出不同的腦電波呢？一個(gè)正常的人腦由數(shù)十億活動(dòng)的神經(jīng)元組成，所有的軸突組織總長(zhǎng)度甚至達(dá)到170000千米。能夠發(fā)出功能性指令的區(qū)域主要位于高度折疊的大腦皮層。每一個(gè)個(gè)體，甚至是雙胞胎之間的大腦皮層構(gòu)造都非常不同。研究者想要提取的，是大腦皮層中神經(jīng)元之間交互時(shí)產(chǎn)生的電脈沖。如何識(shí)別不同個(gè)體位于大腦不同位置的電脈沖信號(hào)則是一大難題。勒譚女士透露，她的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了新的腦信號(hào)識(shí)別算法。形象地說，就是將每一個(gè)個(gè)體高度折疊的大腦皮質(zhì)打開，再進(jìn)行高精度定位檢測(cè)。

檢測(cè)腦電波信號(hào)的物理裝置設(shè)計(jì)是另一大技術(shù)難題。目前世界上腦機(jī)交互的研究機(jī)構(gòu)均采用傳統(tǒng)腦電圖研究法，相應(yīng)的設(shè)備是覆蓋、甚至粘貼于整個(gè)顱骨外部的網(wǎng)狀傳感器。但該傳感器對(duì)于用戶來說安裝、拆解十分復(fù)雜，舒適度欠佳，價(jià)格較為高昂，識(shí)別所需時(shí)間也相對(duì)漫長(zhǎng)。所以，該網(wǎng)狀傳感器只能用于實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)研究，并不適合讓廣大普通用戶操作。

針對(duì)這一問題，Emotiv Insight產(chǎn)品采用類似頭戴式耳機(jī)一般的裝置，根據(jù)功能不同，由類似于觸角的5個(gè)或14個(gè)電極組成。接觸到頭皮表面不同部位的電極，用于檢測(cè)大腦皮層不同功能區(qū)域的腦電波。這樣簡(jiǎn)潔美觀的設(shè)計(jì)外形酷炫，用戶戴上后舒適度提升。

我還找到了Emotiv系列產(chǎn)品在華盛頓大學(xué)腦機(jī)交互研究課題“IpsiHand”的應(yīng)用。在IpsiHand腦機(jī)接口系統(tǒng)中，研究小組嘗試了借助Emotiv Insight控制手部矯形器。手部矯形器是一種戴在手上的機(jī)械裝置，用于幫助手部受傷的病人在術(shù)后進(jìn)行雙手的抓握、放松等訓(xùn)練。研究小組的目的是，證明能完全依靠神經(jīng)系統(tǒng)的指令（即“意念”）去控制矯形器“松開”“緊握”兩種行為。實(shí)驗(yàn)一開始，Emotiv Insight捕捉到用戶發(fā)出的“松開”或“緊握”指令的腦電波，腦電波通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電腦相應(yīng)的軟件系統(tǒng)中。隨后，原始的腦電波數(shù)據(jù)被記錄在電腦圖表中，顯示每個(gè)時(shí)間單位上的頻率、幅度。經(jīng)過電腦中BCI2000平臺(tái)的過濾、處理，轉(zhuǎn)化為有效數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW軟件，變?yōu)殡娔X屏幕上可移動(dòng)的光標(biāo)。這種光標(biāo)是有效的電信號(hào)，能夠向左右兩個(gè)方向移動(dòng)，顯示矯形器的兩種行為。腦電波的幅度控制光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、矯形器的工作速度。

那么如何分別控制左手右手兩個(gè)不同的矯形器呢？人的大腦皮層中，提取到的可控制左手運(yùn)動(dòng)的12Hz的腦電波同時(shí)產(chǎn)生于兩個(gè)大腦半球不同區(qū)域。而同樣可控制左手運(yùn)動(dòng)的22Hz的腦電波僅僅產(chǎn)生于左腦半球特定區(qū)域，因此該22Hz的腦信號(hào)可以用于專門控制左手矯形器。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，研究人員確實(shí)發(fā)現(xiàn)12Hz的腦電波信號(hào)可以操控光標(biāo)向左向右運(yùn)動(dòng)，而大腦左半球特定區(qū)域的22Hz的腦電波信號(hào)只能操控光標(biāo)向左運(yùn)動(dòng)。因此，兩手矯形器的運(yùn)動(dòng)信號(hào)便可被唯一確定、分開。

意念頭箍的具體應(yīng)用和實(shí)際成效讓我情不自禁去探索更多。我了解到，腦機(jī)接口技術(shù)的研究其實(shí)并非由勒譚女士的研究團(tuán)隊(duì)第一個(gè)提出。在過去的三十年間，美國的哈佛大學(xué)、杜克大學(xué)和羅切斯特大學(xué)等的神經(jīng)科學(xué)家早已進(jìn)行了深入研究。華盛頓圣路易斯大學(xué)的計(jì)算機(jī)及工程學(xué)院的學(xué)者，近年來甚至將腦機(jī)交互拓展到了腦間直接交互。當(dāng)然，腦信號(hào)必須要通過計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)處理才行。從宣傳報(bào)道上來看，借助相關(guān)的設(shè)備尤其是頭戴式可穿戴設(shè)備，僅靠大腦意念，小學(xué)生就可以操控玩具飛機(jī)上升、降落；游戲玩家可以變換虛擬場(chǎng)景中的武器、服裝；坐在沙發(fā)上的家庭主婦可以指揮窗簾的開合；下身癱瘓的病人可以命令輪椅前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎。這一類型的發(fā)明研究，被歸為智能穿戴技術(shù)中的新興應(yīng)用。讓每個(gè)人享受專屬的、個(gè)性化的服務(wù)，體現(xiàn)“人機(jī)合一”的思想。

浩大的工程，大家都在起步階段

我并不滿足于從科研機(jī)構(gòu)中獲取的信息，更希望能夠?qū)嶋H體驗(yàn)意念頭箍的質(zhì)感、功效，了解它們的不同類型。于是，我在美國大學(xué)UCSD學(xué)習(xí)期間，利用課余時(shí)間參觀了圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心（SDCC），這是神經(jīng)科學(xué)的全球頂尖研究機(jī)構(gòu)。在我的美國小伙伴、SDCC實(shí)驗(yàn)室研究員Nima同學(xué)的帶領(lǐng)下，我認(rèn)識(shí)了三種不同的意念頭箍，根據(jù)外形構(gòu)造的不同，我姑且把它們稱為“意念網(wǎng)”、“騎兵頭盔”和“Emotiv兄弟”。

“意念網(wǎng)”是一個(gè)匯聚了幾百個(gè)小型傳感器的網(wǎng)狀頭箍，密密麻麻定位精準(zhǔn)的環(huán)狀傳感器保證了它良好的信號(hào)識(shí)別效果。從頭箍上能夠獲取幾乎整個(gè)大腦皮層必要的三維腦電波信息流。但“意念網(wǎng)”的缺點(diǎn)在于：佩戴過程十分復(fù)雜。首先，針對(duì)頭顱大小、形狀不同的用戶，需要佩戴不同編號(hào)的頭箍。戴上之后還要進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整，確保每個(gè)傳感器都緊緊“吸附”著大腦皮層表面確定區(qū)域。最后，還要在每個(gè)孔狀的傳感器上插入與電腦相連的電極，使得所有傳感器檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地輸送給電腦。整個(gè)佩戴過程至少歷時(shí)半個(gè)小時(shí)。而如果任一個(gè)電極接錯(cuò)位置，整體信息都會(huì)受到影響，因此，佩戴過程必須小心翼翼，反復(fù)檢查。我試戴時(shí)，感覺整個(gè)頭皮部分被包裹得很緊，不太舒服，而且頭部不能隨意移動(dòng)。而且，在所有傳感器都與各自電極相連之后，我的頭部形象已經(jīng)慘不忍睹，頗像根結(jié)交錯(cuò)的千年樹妖。因?yàn)檫@些原因，這款準(zhǔn)確性、識(shí)別率較高的意念頭箍只停留在了研究機(jī)構(gòu)之中，應(yīng)用范圍大大受限。

“騎兵頭盔”是第二種意念頭箍，其外形不再是密不透風(fēng)的紗網(wǎng)，而是類似于戰(zhàn)爭(zhēng)類型電影中騎兵的保護(hù)頭盔，但材質(zhì)是特殊的塑料。外形構(gòu)造變得大方簡(jiǎn)潔；傳感器的數(shù)量也從數(shù)百個(gè)減少至十?dāng)?shù)個(gè)。比較有趣和精妙設(shè)計(jì)的，是傳感器的工作方式。每個(gè)傳感器并不是傳統(tǒng)上形態(tài)固定的小片金屬圓圈，而是由內(nèi)置好的十幾個(gè)纖細(xì)的刷狀金屬電極組成。當(dāng)用手按住一個(gè)刷狀傳感器時(shí)，用力程度不同，金屬電極下陷的程度和條數(shù)都不同。因此，當(dāng)戴上該頭箍之后，特定區(qū)域的腦電波信號(hào)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的反饋更為精確。當(dāng)我戴上它時(shí)，可以稍微靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)頭部。還能感覺到這十幾個(gè)傳感器里的電極，隨著我頭部的運(yùn)動(dòng)調(diào)皮地伸縮，十分有趣。而且這一簇簇可活動(dòng)金屬電極直接連接在了頭箍后部的一捆特殊傳輸線上，這樣就不用再人為地進(jìn)行每個(gè)傳感器與電腦的連接了?！膀T兵頭盔”大大簡(jiǎn)化了佩戴工序，可是識(shí)別效果比第一種稍遜一籌。

第三種意念頭箍，類似于Emotiv Insight團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的頭戴式耳機(jī)裝置，姑且稱其“Emotiv 兄弟”吧?！癊motiv 兄弟”的外形最為美觀別致，佩戴也最為簡(jiǎn)單。如果價(jià)格合理，可以被普通民眾廣泛地使用。但是其內(nèi)部具體的識(shí)別算法效果卻被大大減弱。Nima同學(xué)告訴我，兩個(gè)月前他才去硅谷參觀過勒譚女士的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，“Emotiv Insight”實(shí)際中識(shí)別腦電波的效果并不十分理想，不像媒體視頻宣傳的那樣智能。但它們團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品的亮點(diǎn)在于材質(zhì)貼合肌膚、舒適而有彈性，同時(shí)設(shè)計(jì)十分輕巧時(shí)尚。在我之后拜訪另一個(gè)著名的神經(jīng)科學(xué)家Howard Poizner教授時(shí)，他也親口告訴我，就目前而言，整個(gè)全球在這一領(lǐng)域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)匹配算法上都處于起步階段。沒有一家研究機(jī)構(gòu)或是公司團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想而智能的腦電波識(shí)別、大腦支配功能。具體的內(nèi)部算法涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、信號(hào)處理、生物信息、神經(jīng)科學(xué)等眾多領(lǐng)域的尖端技術(shù)，由此可見“大腦支配生活”這一設(shè)想的阻力所在了。

目前市面上出現(xiàn)的其他意念頭箍如“BrainLink”、智能導(dǎo)航頭盔“Live Map”、心率頭盔“SMART”等都與上述的三種大同小異。它們被證實(shí)有效的功能主要集中在宏觀的情感檢測(cè)、心率檢測(cè)上。這些應(yīng)用所依賴的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)匹配算法也相對(duì)簡(jiǎn)單，難度不及完成汽車移動(dòng)、操控飛機(jī)那樣的執(zhí)行命令。不考慮市場(chǎng)定價(jià)等非技術(shù)因素，光是用戶所處環(huán)境的干擾及噪聲就給腦電波信息的獲取帶來較大困難，而被操控的實(shí)際物體或虛擬環(huán)境都要進(jìn)行特殊無線傳感裝置的安裝，或是特殊的初始設(shè)置，因此，真要實(shí)現(xiàn)“大腦支配生活”必將是一個(gè)浩大的工程。但我相信，作為智能穿戴技術(shù)中的新興應(yīng)用，在克服了技術(shù)上的主要困難之后，“意念頭箍”一定會(huì)在未來的信息浪潮中大放異彩。

責(zé)任編輯：張婷