探索大脑之谜

刘婉茹

2014年10月24日，风靡北美的科幻大片《超体》登陆我国。电影以其超凡的想象力和震撼的视听效果，让大脑潜能一时间成为无数科幻影迷热议的话题。那么，人的大脑开发利用了多少？未来大脑真的会具有超能力吗？这些谜团则需要以科学与理性的角度来一一揭开。

“人类大脑由100多亿个神经细胞组成，相当于银河系星体的总数。然而，人类对自己的大脑至今知之甚少。”西安交通大学机械工程学院副教授谢俊说道。作为一名把脑机接口研究视为终身奋斗事业的科研工作者，谢俊说，人脑潜能开发不仅仅是科幻作品的热门题材，在现实中也引来各方力量的“抢滩”，现在他也在开发人脑潜能的这条道路上越走越远。而最初他选择进入脑机接口领域，不仅仅是兴趣所在，更是身上承担的使命使然：学以致用，以脑机交互技术提升残障人士的生活质量。正是怀以这样的使命，謝俊在脑机接口研究中始终坚守如一，并不断开拓创新。

翻译“脑电波”

2013年，时任美国总统奥巴马宣布启动脑科学计划，欧盟和日本也在当年和次年予以响应，分别启动欧洲脑计划及日本脑计划。面对激烈的国际竞争，中国脑科学家在2013年就开始酝酿中国的“脑计划”。2016年，“脑科学与类脑研究”被“十三五”规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一。目前，“脑科学与类脑研究”作为“科技创新2030重大项目”已启动的4个试点之一，进入编制项目实施方案阶段。谢俊说，在脑科学和类脑研究进入全球性热潮的今天，他的研究工作也将搭乘时代发展的高速列车进入快速发展之期。

作为一个机械专业科班出身的人，谢俊在博士期间，从对机械信号的分析，走上对人的大脑信号的分析。他说，虽然研究的对象不一样了，但都是对信号进行处理，在一定程度上非常相似。

脑机接口，是一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。通俗点说，就是人脑想执行某个操作，不需要通过肢体动作，只通过脑机接口，即可让外部设备读懂大脑神经信号，并将思维活动转换为指令信号，来实现对计算机或其他电子设备的控制。

那么，脑机交互技术研究的核心是什么呢？

“调整人脑和脑机接口系统之间的相互适应关系，寻找出合适的信号处理与转换算法，实时、快速、准确地把脑电信号转换成可以被计算机或其他电子设备识别输出控制的信号或命令。”谢俊说，这是脑机接口技术的核心所在。

脑机接口分为很多种类，有前端、中端和后端。前端，称之为脑机接口范式，就是用什么方式来识别特定的脑电信号；中端就相当于信号处理；后端则是应用。“我们在前端这方面做得比较有特色，提出了一些国际上比较新的脑电信号刺激方案。”

谢俊在脑机接口范式领域做了大量创新工作。他告诉记者，脑机接口范式的本质是提取和翻译神经细胞的活动。它一方面能够让大脑发出指令，控制计算机或者智能假肢；另一方面，它也能让我们直接解读神经活动的部分信息，通过图像、声音的形式反馈给使用者。相当于你原来用手指敲键盘，现在可以用脑电信号敲键盘。

然而，要解读神经活动的部分信息，微弱的脑电信号是一大“拦路虎”。为解决这一问题，谢俊在脑机接口范式上作了一个调整。“我们的大脑是一个非线性系统，当你给它输入噪声后，在最优的噪声条件下，系统输出可能会变优，产生随机共振现象。因此，在视觉刺激时候，我给大脑看了一些不同频率闪烁的同时，加入视觉噪声进去，这不仅不会降低大脑的响应，反而会增强大脑响应。我现在基本就做这方面的研究。”

脑机接口技术不仅可以控制假肢、计算机鼠标、键盘、家用电器等，还为那些肢体残疾、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，建立了一个大脑与外界世界直接交互的新途径，改善了他们的生活质量。把脑机接口研究用于医疗康复，这也是谢俊的一个重点研究领域。“目前，脑机接口对正常人应用意义不是太大，但是对提高残障人士，尤其是脊髓侧索硬化，或者是渐冻症等患者的生活质量非常重要。”国家自然科学基金青年基金项目“听觉噪声整合下的视觉诱发脑机接口及其跨模态神经功能连接效应研究”，便是谢俊在脑机接口范式上的探索：以视听觉脑机接口及其跨模态神经功能连接效应为手段，为基于神经可塑性的感觉功能障碍康复寻找新方法。

进行“思维读取”

感觉功能障碍，是一种发生在大脑感觉通道的机能改变。感觉障碍患者的大脑在接收外界刺激或对其产生响应的过程中存在一定的神经信息传递阻碍，通常由视听觉、触觉、体感等方面的多种疾病及外周神经或大脑的机能障碍引发，如脑卒中、癫痫等。

“就视听觉障碍来说，除了完全的耳聋或眼盲等症状需要手术，如采用有创视觉假肢的康复方式以外，对于存在偏盲等视野缺陷的感觉障碍患者来说，其听觉皮层功能正常，且现有研究表明，听觉皮层与视觉皮层有直接的映射关系，称之为多感觉整合，通过一定的无创视听觉联合刺激手段能够促进大脑不同区域的功能性连接，诱发皮层神经可塑性，实现全部或部分的视听觉功能恢复。”

谢俊说，研究多感觉整合的脑机接口，现已成为一个具有极高探索价值的神经康复研究热点。但如何通过一种简单的方式实现跨感觉通路的神经功能连接一直是一项挑战。

在经历大量研究之后，谢俊发现通过量化噪声强度来实现对大脑跨模态功能连接的定量增强，对于感觉障碍患者的视觉、听觉、触觉、体感等功能的恢复具有积极意义。因此，在“听觉噪声整合下的视觉诱发脑机接口及其跨模态神经功能连接效应研究”项目中，谢俊准备通过定量整合听觉噪声和视觉刺激的方式研究视听觉脑机接口及其跨模态神经功能连接效应。

“在项目中，我准备采用实时神经反馈脑机接口诱发大脑视听觉随机共振，促进皮层内神经元之间的同步激活和皮层问的信息连接，研究不同噪声强度对稳态视觉诱发响应的增强作用；并准备通过刺激一噪声优化策略确定大脑在听觉噪声下的响应规律，进而构筑符合视听觉生理特性的多层神经元仿生模型，再通过视听觉物理刺激的建模，研究听觉噪声在视听觉通路不同层面上的信息编码过程，同时借助反演优化方法分析不同噪声强度下脑区间的空间同步趋势。”

以此为基础，再基于小世界图论理论，结合大脑视听觉区域特定频带时间相关性，谢俊研究了听觉噪声下视听觉同步的时空映射关系，来得出神经功能连接效应随噪声强度的变化规律，以期揭示视听觉功能在随机共振下的耦合机制，为基于神经可塑性的感觉功能障碍者的康复开辟通道。

我国存在大量残障人群，研究智能型助残设备，具有极其重要的社会意义和经济价值。现在，脑机接口研究者们已经利用脑机接口技术，帮助中风、癫痫、自闭症等神经疾病的患者更快地康复。谢俊也希望以自己所学能提高残障人士的康复效率。因为，对他来说，这是一项非常有意义的研究。

除了这个项目外，谢俊还参与了国家自然科学基金委的重大研究计划、国家高技术研究发展计划（原“863”计划）项目等。在谢俊看来，科学研究既深奥又有趣，但只要围绕一个小“点”坚持不懈地研究下去，就能有不一样的收获。在现在的科研中，他要把长期目标与短期目标结合起来，正确读懂大脑的真实意图，在神经科学领域做出更多的创新。