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脑机接口:唤起神经康复的新希望

——记清华大学生物医学工程系脑机接口研究团队

来源:科技日报 2011-06-23

  ■ 创新启示录

  上世纪80—90年代,生物医学信号处理技术在探测心脏功能方面大显神通,很多创新成果进入临床应用。到了90年代后期,清华大学生物医学工程系杨福生教授、高上凯教授带领的研究团队把目光转向了大脑信号的研究,作为博士生的洪波,也正是在那个时候开始了对大脑奥秘的探索。2001年,洪波以一种脑电分析的新方法获得生物医学工程博士学位,后留校任教。2004年,洪波作为青年学术骨干被清华大学派往在神经科学领域享有盛誉的美国约翰霍普金斯大学作访问学者,由于科研合作需要常常去霍普金斯医院。在那里的癫痫治疗中心,洪波第一次看到了研究者如何通过植入电极,获取和分析大脑的神经活动,用以帮助神经疾病的诊断和手术规划。作为一名生物医学工程的学者,洪波由此感受到了信号分析等工程方法在神经科学和神经疾病诊治中的应用价值。

  清华大学的一项研究表明,人们通过想像可以控制机器人进行足球比赛。匪夷所思?却又千真万确。对清华大学生物医学工程系洪波副教授和他们的脑机接口研究团队来说,这样的事情早已经见怪不怪。

  上世纪80—90年代,美国和欧洲有学者开始进行残疾人脑电交互系统的研究。意图通过结合神经科学、微电子和计算机信息处理等,直接提取大脑的神经活动,实时翻译成控制命令,来控制假肢、计算机鼠标、键盘、家用电器等,帮助那些肢体残疾、脊髓损伤、中风、肌萎缩侧索硬化,以及其他神经肌肉退化的病人,改善他们的生活质量。而在地球的这一边,清华大学的实验室里,不断创新的信号处理技术把大脑的奥秘一点点展现在研究团队的面前,用脑电信号来解读思维、控制计算机的想法也进入他们的头脑。当时高上凯教授在领导完成一个检测飞行员在超重训练时的大脑反应的项目,大脑视觉区域的节律性脑电给了他们启发:能不能用这种节律性脑电来判断人的想法呢?如果成功了,岂不是可以让大脑和计算机对话?

  脑机接口数据竞赛的启示

  从美国回国后,洪波和高上凯教授一起组织召开了中国第一次神经工程国际会议——IEEE生物医学工程年会神经工程前沿论坛,随后,又紧锣密鼓地筹建了清华-约翰霍普金斯联合研究中心,邀请国际知名学者定期来清华讲学访问。洪波坚定地认为:要想在科研工作中作出一番成绩,不但需要有超越的目标和决心,更需要国际视野和一个有活力、专注创新和合作的团队。

在研究脑机接口的过程中,2005年发生的一件事情给了洪波很大的触动。当时欧美一些著名的脑—机接口研究小组发起组织了脑—机接口数据竞赛,参赛者需要完成的是对离线数据的分析。其中在2005年那场竞赛中,清华大学脑机接口离线数据分析在7个题目中一举拿下了三个第一和两个第二,超过了美国麻省理工大学、斯坦福大学等世界知名大学的团队。然而这样的喜讯却没能让洪波高兴起来,因为后来的颁奖晚宴让他感受到了一种微妙的“不屑”氛围,“那些国际顶尖的学者们觉得,我们虽然拿了离线数据分析竞赛的第一,能解题,但在这个领域却提不出新问题。”

  这次竞赛领奖回来后,洪波和他的同事们暗下决心,一定要作出自己的一套系统,让那些国际同行们看看:中国人不但能在脑机接口领域解难题,也能在这个领域作出完全创新的研究。

  成功实现首个纯听觉脑机接口

  2006年到2008年,清华大学脑机接口研究团队从一间简陋的地下实验室开始埋头苦干,在一次次的失败与改进后成功开发出基于听觉目标辨识的新型脑机接口技术、基于视觉运动起始的新型脑机接口技术、采用伪随机编码技术的高速视觉脑机接口技术等创新性的脑机接口新方法,并让人脑通过思维控制机器人踢足球成为现实。其中,基于听觉认知强化的新型脑机接口技术首创采用听觉认知脑电成分进行脑机交互,成为世界上首个成功实现的纯听觉脑机接口,将能够帮助像物理学家史蒂芬•霍金这样的“渐冻人”通过听觉脑电活动来表达自己的思想,与外界沟通。这项工作作为封面文章发表在美国《IEEE神经系统与康复工程汇刊》上。在2010年的全球脑机接口大奖赛(BCI Award)中,清华大学团队的三项创新技术全部入围世界前十。

  “人的大脑约有1千亿个神经细胞,时刻都在接受着来自外界和自身的刺激,这些刺激使得大脑皮层中一些区域的细胞活动增强,形成几十毫伏的放电脉冲,但这些电脉冲传到头皮表面就只有几十微伏的大小,非常微弱。”洪波说,“就像在一个庞大而嘈杂的体育场外试图听到体育场内每个人的说话,这是非常困难的。”

  美国一些研究团队的解决办法是把微电极植入大脑皮层中,探测神经细胞的放电,从而实现脑机交互。但这是一种有创技术。清华大学的团队则专注于无创脑机接口的研究,只要带上电极帽,就能解读简单思维活动。由于大脑活动时头皮产生的电压只有常用干电池的百万分之一,信号非常弱,加之外界的信号干扰,使得采集脑电信号成为一个棘手问题。科学家利用微弱信号放大装置探测神经细胞的活动,这样得到的脑电是很多神经细胞活动的总和,只有通过复杂的统计、挖掘、分类算法,才能探索出脑电数据中承载的思维内容。

  而清华大学研制的脑机接口的先进之处在于,只需用比较少的电极,通过优化的信号处理方法进行处理后,就能快速正确地识别出不同思维活动的脑电信号,进而实现实时的脑机交互和控制。

  期待大样本残疾人参与测试

  在清华脑机接口实验室,志愿者戴上只有3—5个电极的电极帽,从若干类似“感觉热”“想喝水”“要坐起”等简单思维活动中随机选择一个,计算机可以很快判断出志愿者的意愿。如果将计算机的判断作为控制命令传给空调或机器人,就可以让空调自动调节温度,让机器人端茶送水,让智能病床自动摇起,真正实现脑机互动。

  由于清华大学团队在脑机接口研究中的突出表现,2010年6月,洪波作为亚洲唯一的代表应邀在美国国立健康研究院神经界面年会的脑机接口专题讨论会上做报告。

  “和2005年那次开会的感觉完全不一样,现在站在国际同行面前做报告,觉得自己底气很足。”回忆往事,洪波很感慨,“面对压力和偏见时,要找到突破口,变被动为主动,这样才能赢得国际声誉,引领研究前沿。”

  2010年11月,由清华大学承办的“首届中国脑—机接口比赛”在北京举行,为推动我国脑—机接口研究走向实用化迈出重要一步。提及脑机接口技术的实用化,个体差异是面临的最大难题。快速有效的个体参数定制显得至关重要。在国家“十一五”科技支撑项目的资助下,洪波带领研究团队系统研究了电极位置、频带范围、谐波加权系数等关键参数,形成了最快4分钟的优化流程,使得人脑与机器交互时更为流畅,完成了脑控家居环境系统和脑控键盘鼠标等脑机接口样机,获得业内专家的一致好评。尽管如此,洪波坦言:“脑机接口技术的实用化仍然面临着障碍,一方面尚需大样本的残疾人进行测试,另一方面,脑电电极的接触方式还有待进一步改进。”

  憧憬未来,清华研究团队信心满满。一个由三位博士组成的核心团队已经从他们的实验室中走出来,将在清华科技园和常州科教城的支持下,让“十一五”脑机接口的成果真正迈出产业化的脚步。(罗朝淑)

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2011-06-23 15:44:59]
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