意念头箍大脑支配生活变为现实？

李露

想象一下，依靠大脑的一个意念，你就可以打开卧室的壁灯，或发动自己的轿车。

在过去的几十年中，这种设想仅存在于科幻小说中，但是近年来脑机交互研究发展迅速，

配合智能穿戴设备的发展，逐渐让大脑操控行为这一设想变为现实。

你能够戴上一个“意念头箍”，然后命令眼前的物品移动。

可穿戴设备是近年来一项重要发明。它是用户可以穿戴在身上的智能设备，结合了云计算、数据交互、软件处理等强大IT技术，给人们的生活带来极大便利，呈现出一种全新的智能感知效果，诸如可视频、可拍照的Google Glass，可检测人体健康指数的Nike+等等。“意念头箍”的发明结合了生物信息学、神经学、信号处理技术、机器学习等知识，是智能穿戴技术的又一大新兴应用。

Emotiv Insight：“拉回”“消失”

一期关于“意念头箍——Emotiv Insight”的TED演讲展示，深深吸引了我。这一外观酷炫的头箍已在众筹网站“Kickstarter”上融资超过160万美元。Emotiv Insight是一个头戴式的简易脑电波传感器（即“意念头箍”），它能够将承载着运动指令的脑电波转化成实际有效的机械命令，从而实现非接触式的大脑操控技术。在演讲中，研发团队的领导者勒谭女士请一位观众头戴该产品，并在相应的电脑系统中建立新的用户文档，来记录该用户脑电波的原始信息。程序窗口中有进行运动示范的方块，窗口左下角是记录、保存、实施脑指令的进度条。随后，这个观众在大脑中想象“拉回”这一命令，进度条加满，程序窗口中的方块逐渐变大，向用户接近。他又尝试了一项更为困难的指令——“消失”，经过几次尝试，台下观众们惊喜地发现程序窗口中的方块逐渐变淡消失了！

那么，人的大脑活动这一看不见摸不着的“意念”，如何就能转化成方块拉近、消失的机械行动？这是Emotiv Insight等意念头箍背后的核心技术，也是勒谭女士带领的创业团队在研发过程中遭遇的两大挑战。

首先，大脑中的“意念”如何被有效地获取？原来，承载着不同“意念”的脑电波信号在幅度、频率、分布轨迹上都有各自的特点。我们需要记录的，不是抽象的“想法”，而是实际存在的信号。但是，另一个难题出现了：如何才能识别出不同的脑电波呢？一个正常的人脑由数十亿活动的神经元组成，所有的轴突组织总长度甚至达到170000千米。能够发出功能性指令的区域主要位于高度折叠的大脑皮层。每一个个体，甚至是双胞胎之间的大脑皮层构造都非常不同。研究者想要提取的，是大脑皮层中神经元之间交互时产生的电脉冲。如何识别不同个体位于大脑不同位置的电脉冲信号则是一大难题。勒谭女士透露，她的团队研发出了新的脑信号识别算法。形象地说，就是将每一个个体高度折叠的大脑皮质打开，再进行高精度定位检测。

检测脑电波信号的物理装置设计是另一大技术难题。目前世界上脑机交互的研究机构均采用传统脑电图研究法，相应的设备是覆盖、甚至粘贴于整个颅骨外部的网状传感器。但该传感器对于用户来说安装、拆解十分复杂，舒适度欠佳，价格较为高昂，识别所需时间也相对漫长。所以，该网状传感器只能用于实验室中的科学研究，并不适合让广大普通用户操作。

针对这一问题，Emotiv Insight产品采用类似头戴式耳机一般的装置，根据功能不同，由类似于触角的5个或14个电极组成。接触到头皮表面不同部位的电极，用于检测大脑皮层不同功能区域的脑电波。这样简洁美观的设计外形酷炫，用户戴上后舒适度提升。

我还找到了Emotiv系列产品在华盛顿大学脑机交互研究课题“IpsiHand”的应用。在IpsiHand脑机接口系统中，研究小组尝试了借助Emotiv Insight控制手部矫形器。手部矫形器是一种戴在手上的机械装置，用于帮助手部受伤的病人在术后进行双手的抓握、放松等训练。研究小组的目的是，证明能完全依靠神经系统的指令（即“意念”）去控制矫形器“松开”“紧握”两种行为。实验一开始，Emotiv Insight捕捉到用户发出的“松开”或“紧握”指令的脑电波，脑电波通过无线网络发送到电脑相应的软件系统中。随后，原始的脑电波数据被记录在电脑图表中，显示每个时间单位上的频率、幅度。经过电脑中BCI2000平台的过滤、处理，转化为有效数据，该数据经过LabVIEW软件，变为电脑屏幕上可移动的光标。这种光标是有效的电信号，能够向左右两个方向移动，显示矫形器的两种行为。脑电波的幅度控制光标的运动速度、矫形器的工作速度。

那么如何分别控制左手右手两个不同的矫形器呢？人的大脑皮层中，提取到的可控制左手运动的12Hz的脑电波同时产生于两个大脑半球不同区域。而同样可控制左手运动的22Hz的脑电波仅仅产生于左脑半球特定区域，因此该22Hz的脑信号可以用于专门控制左手矫形器。在接下来的实验中，研究人员确实发现12Hz的脑电波信号可以操控光标向左向右运动，而大脑左半球特定区域的22Hz的脑电波信号只能操控光标向左运动。因此，两手矫形器的运动信号便可被唯一确定、分开。

意念头箍的具体应用和实际成效让我情不自禁去探索更多。我了解到，脑机接口技术的研究其实并非由勒谭女士的研究团队第一个提出。在过去的三十年间，美国的哈佛大学、杜克大学和罗切斯特大学等的神经科学家早已进行了深入研究。华盛顿圣路易斯大学的计算机及工程学院的学者，近年来甚至将脑机交互拓展到了脑间直接交互。当然，脑信号必须要通过计算机中转处理才行。从宣传报道上来看，借助相关的设备尤其是头戴式可穿戴设备，仅靠大脑意念，小学生就可以操控玩具飞机上升、降落；游戏玩家可以变换虚拟场景中的武器、服装；坐在沙发上的家庭主妇可以指挥窗帘的开合；下身瘫痪的病人可以命令轮椅前进、后退或转弯。这一类型的发明研究，被归为智能穿戴技术中的新兴应用。让每个人享受专属的、个性化的服务，体现“人机合一”的思想。

浩大的工程，大家都在起步阶段

我并不满足于从科研机构中获取的信息，更希望能够实际体验意念头箍的质感、功效，了解它们的不同类型。于是，我在美国大学UCSD学习期间，利用课余时间参观了圣地亚哥超级计算机中心（SDCC），这是神经科学的全球顶尖研究机构。在我的美国小伙伴、SDCC实验室研究员Nima同学的带领下，我认识了三种不同的意念头箍，根据外形构造的不同，我姑且把它们称为“意念网”、“骑兵头盔”和“Emotiv兄弟”。

“意念网”是一个汇聚了几百个小型传感器的网状头箍，密密麻麻定位精准的环状传感器保证了它良好的信号识别效果。从头箍上能够获取几乎整个大脑皮层必要的三维脑电波信息流。但“意念网”的缺点在于：佩戴过程十分复杂。首先，针对头颅大小、形状不同的用户，需要佩戴不同编号的头箍。戴上之后还要进行仔细调整，确保每个传感器都紧紧“吸附”着大脑皮层表面确定区域。最后，还要在每个孔状的传感器上插入与电脑相连的电极，使得所有传感器检测到的信息实时、动态地输送给电脑。整个佩戴过程至少历时半个小时。而如果任一个电极接错位置，整体信息都会受到影响，因此，佩戴过程必须小心翼翼，反复检查。我试戴时，感觉整个头皮部分被包裹得很紧，不太舒服，而且头部不能随意移动。而且，在所有传感器都与各自电极相连之后，我的头部形象已经惨不忍睹，颇像根结交错的千年树妖。因为这些原因，这款准确性、识别率较高的意念头箍只停留在了研究机构之中，应用范围大大受限。

“骑兵头盔”是第二种意念头箍，其外形不再是密不透风的纱网，而是类似于战争类型电影中骑兵的保护头盔，但材质是特殊的塑料。外形构造变得大方简洁；传感器的数量也从数百个减少至十数个。比较有趣和精妙设计的，是传感器的工作方式。每个传感器并不是传统上形态固定的小片金属圆圈，而是由内置好的十几个纤细的刷状金属电极组成。当用手按住一个刷状传感器时，用力程度不同，金属电极下陷的程度和条数都不同。因此，当戴上该头箍之后，特定区域的脑电波信号随时间动态变化的反馈更为精确。当我戴上它时，可以稍微灵活地转动头部。还能感觉到这十几个传感器里的电极，随着我头部的运动调皮地伸缩，十分有趣。而且这一簇簇可活动金属电极直接连接在了头箍后部的一捆特殊传输线上，这样就不用再人为地进行每个传感器与电脑的连接了。“骑兵头盔”大大简化了佩戴工序，可是识别效果比第一种稍逊一筹。

第三种意念头箍，类似于Emotiv Insight团队设计的头戴式耳机装置，姑且称其“Emotiv 兄弟”吧。“Emotiv 兄弟”的外形最为美观别致，佩戴也最为简单。如果价格合理，可以被普通民众广泛地使用。但是其内部具体的识别算法效果却被大大减弱。Nima同学告诉我，两个月前他才去硅谷参观过勒谭女士的创业团队，“Emotiv Insight”实际中识别脑电波的效果并不十分理想，不像媒体视频宣传的那样智能。但它们团队产品的亮点在于材质贴合肌肤、舒适而有弹性，同时设计十分轻巧时尚。在我之后拜访另一个著名的神经科学家Howard Poizner教授时，他也亲口告诉我，就目前而言，整个全球在这一领域神经网络匹配算法上都处于起步阶段。没有一家研究机构或是公司团队能够实现较为理想而智能的脑电波识别、大脑支配功能。具体的内部算法涉及机器学习、计算机视觉、信号处理、生物信息、神经科学等众多领域的尖端技术，由此可见“大脑支配生活”这一设想的阻力所在了。

目前市面上出现的其他意念头箍如“BrainLink”、智能导航头盔“Live Map”、心率头盔“SMART”等都与上述的三种大同小异。它们被证实有效的功能主要集中在宏观的情感检测、心率检测上。这些应用所依赖的神经网络匹配算法也相对简单，难度不及完成汽车移动、操控飞机那样的执行命令。不考虑市场定价等非技术因素，光是用户所处环境的干扰及噪声就给脑电波信息的获取带来较大困难，而被操控的实际物体或虚拟环境都要进行特殊无线传感装置的安装，或是特殊的初始设置，因此，真要实现“大脑支配生活”必将是一个浩大的工程。但我相信，作为智能穿戴技术中的新兴应用，在克服了技术上的主要困难之后，“意念头箍”一定会在未来的信息浪潮中大放异彩。

责任编辑：张婷