腦機介面BCI
弘則駭科技
用想法撬動世界——腦機介面技術
2015年11月27日
**科技礦工與您分享前沿科技進展，關注中外科技行業商業模式創新。**
摘要
本期駭科技帶你走近腦機介面技術（BCI），了解BCI發展歷程、最新研究成果、以及在醫學、VR、遊戲等各個領域的奇妙應用。
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什麼是腦機介面？
想必看過阿凡達的朋友們，對人類通過思維控制另一個化身的技術一定驚嘆不已。科幻電影畢竟是科幻電影，現實世界中腦機介面技術便是突破人類身體局限的最前沿課題。腦機介面，簡稱BCI(Brain-Computer Interface)，是指連接大腦與外部設備的直接信息通道。BCI技術的意義在於輔助、增強或修復人類的認知和動作感覺能力。
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BCI的小歷史
BCI起源於腦電波的研究。1924年科學家Hans Berger發現人類大腦活動會產生周期性的電學信號。Berger教授發明了將導電金屬插入患者大腦表皮的腦電波記錄儀，並有效的捕捉到了大腦發出的8-13赫茲的周期性電信號。這種電信號也就是大家所熟知的Alpha腦電波。隨後西門子公司設計出更靈敏的電信號記錄儀設備，這使腦電波的研究進入了新紀元。
在醫療領域廣泛應用的腦電圖技術，有效的促進了腦科學的快速發展。1973年UCLA科學家Jacques Vidal第一次完成了通過視覺刺激腦電波操縱電腦游標移動方向的實驗，他所發表的文章中完整的定義了BCI概念。至此，BCI成為了一門獨立的交叉學科，而Vidal教授也成為了BCI學界公認的開山祖師。
BCI研究的里程碑
視覺重建
1999年，UC Berkeley華裔教授楊丹將電極陣列安放在實驗貓的丘腦區域（產生並整合感覺信號的腦部區域）中177個腦細胞之上。這些腦細胞負責處理來自視神經的刺激，並將電刺激整合為視覺信號呈現給大腦。實驗者讓實驗動物觀看八段視頻，並記錄這些腦細胞的神經電學信號。隨後，這些神經信號通過數學程序重構，科學家驚奇的發現重構圖片可以很好的吻合實驗貓看到的視頻。（見圖3）
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大腦操控
2000年，Duke大學Nicolelis實驗組成功搭建了一套實驗猴通過意識來操縱機械臂的BCI系統。（見圖4）實驗者將腦電波採集裝置安放在恆河猴的腦部，並訓練這些實驗猴子通過使用操縱桿來控制機械臂為其獲取食物。在操控機械臂和獲取食物的過程中，BCI系統可以分析腦電波而得到實驗動物對所操控機械臂運動速度和握力的預判，並使機械臂完成相應動作。
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植入式BCI系統
早期的BCI系統受到信息採集系統靈敏度的限制，往往都需要將電極通過手術的辦法植入到大腦皮層表面。這樣的技術能非常有效並靈敏的切換人腦信號和數字信號，為身患殘疾的人士帶來新的福音。
從功能上區分，植入式BCI系統可以用於恢復人腦的視覺神經功能和運動神經功能。
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視覺系統
在視覺科學領域，大腦植入技術可以用來治療獲得性失明。這個領域的先行者William Dobelle教授在1978年就實驗性的將含有68個電極的單陣列BCI系統植入到患者的視覺中樞，並成功的在患者腦神經中生成壓眼閃光視覺信號（即視光感知）。這套系統包含一個安裝在眼鏡上的相機系統，這套系統能給患者的視覺中樞植入電極發送含有灰度信息的視覺電信號，而隨著電子技術的發展，這套BCI系統也變得越來越便攜和易用。2002年，16名患者參與了Dobelle教授的第二代BCI植入設備的實驗，並證明其項目大範圍推廣的可能性。只可惜人算不如天算，Dobelle教授於2004年過世，而這些患者也漸漸開始失去視覺。
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運動系統
BCI技術最有前景也是最容易實現的領域就是運動神經修復，這項技術可以幫助數以千萬計的殘障人士獲得獨立自主的生活能力。Emory大學的Philip Kennedy和Roy Bakay團隊是第一個將BCI系統用於輔助閉鎖綜合征患者的技術團隊。早在1998年，這個團隊就將電極植入患者大腦，經過訓練的患者可以容易的操控電腦游標。隨後，2005年，科學家將還有96個電極的BrainGate晶元插入到四肢癱瘓的患者大腦的中央前回（負責運動神經中樞的區域）。患者通過適應，能通過意識靈巧的操控機械臂為自己抓取物件，並控制燈泡和電視的開關。
非植入式BCI系統
儘管植入式BCI系統能為殘障人士提供極大生活便利，但是受限於腦外科手術的複雜性和可能造成的組織損傷，植入式BCI系統始終無法得到大規模應用。隨著電子技術的迅猛發展，由非入侵性神經造影技術作為主流介面技術的非植入式BCI系統將得到越來越多的應用。
現階段的非植入式BCI系統的技術難點在於：
1. 顱骨將削弱腦電信號，使得腦電波中的高頻信號難以捕捉
2. 非植入式神經造影技術的空間解析度較低，無法解析複雜的大腦
3. 使用前BCI系統訓練周期相對較長
非植入式BCI系統常用介面技術主要為兩類：腦電技術（EEG）和腦磁技術（MEG）。
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腦電技術（EEG）
腦電技術是非植入式BCI介面中研究最為深入的技術，這項技術最大的優點在於其時間解析度較高、易用性強、設備成本低。而這類技術的最大缺點在於其抗干擾能力差所導致的信號靈敏度低。
2000年，Rochester大學的研究者 Jessica Bayliss招募志願者進行基於EEG技術的操控實驗。志願者將含有EEG電極的VR（虛擬現實）頭盔戴在頭上，通過一定的訓練後，志願者的P300 EEG信號可以在虛擬世界中打開或關閉電燈並控制汽車從行駛狀態變為靜止狀態。
2010年9月，華裔科學家何斌(音譯)發表文章宣布成功研製可以操控無人機進行3D跨障礙飛行的BCI系統。（見圖6）
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腦磁技術（MEG）
腦磁技術以及功能性核磁共振技術（fMRI）也是用於BCI系統較好的介面技術。儘管起步較晚，腦磁技術由於其精準的腦部空間定位優勢獲得了越來越多的關注和研究。大腦通過核磁儀操控的機械臂的實驗已經能達到腦電技術的水平，但其長達7秒鐘的延遲時間也為科學家提供了未來的研究方向。
2008年，日本ATR計算神經實驗室使用功能核磁技術作為介面，在實驗者腦中重構了解析度較低的圖片。（見圖7）而這幅照片也成為當期國際科研期刊《神經元》的封面圖片。
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神經遊戲
神經遊戲是指通過分析遊戲者的腦電波、心率、面部表情、瞳孔以及情感變化等情況來控制遊戲者心情的遊戲軟體。澳大利亞電子設備商Emotiv公司推出了基於EEG介面的個人消費級產品EPOC。這個產品可以與Windows，OS X和Linux系統中多個遊戲搭配為遊戲玩家帶來更豐富的遊戲體驗。
Emotiv EPOC產品應用一覽：
2012年 Chaotic Moon團隊設計大腦操控的滑雪板遊戲
2013年 Smirnoff樂隊使用DJ Fresh和其他音樂人的腦電波創造出Project Mindtune音樂專輯。
2014年網路博彩平台Bwin使用EPOC頭盔測量專業與業餘撲克選手的差別。
2015年，EMC全球會上，Emotiv公司展示如何使用EPOC系統操控視頻遊戲。
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BCI產業近期動態一覽
2006年，SONY將通過無線電技術影響腦電波的BCI技術註冊專利
2007年，NeuroSky公布消費級EEG介面產品並同時發布遊戲NeuroBoy，這是BCI/EEG產品第一次進入消費者視野。
2008年，OCZ公司發布遊戲外設，通過肌電圖技術為介面監測玩家心理狀態。
2008年，《最終幻想》的開發商 Square Enix宣布與NeuroSky合作開發含有BCI功能的遊戲 Judecca。
2009年，玩具公司Mattel與NeuroSky合作發布Mindflex遊戲，玩家可以通過大腦EEG介面控制物體穿越障礙。這也是消費級遊戲中最暢銷的神經遊戲。
2009年，玩具公司Uncle Milton與NeuroSky合作發布Star Wars Force Trainer遊戲，通過為玩家創造出虛擬場景，讓玩家參與擁有「神力」感受的訓練。
2009年， Emotiv Systems公司公布EPOC產品，一個擁有14個頻道的EEG介面頭盔。這個頭盔可以分辨4個情感狀態，13個感知狀態，面部表情以及頭部運動情況。EPOC頭盔是第一個大規模應用的乾性感測技術EEG感測器。
2011年，Time Magazine選出 Neurowear 公司生產的 「necomimi」作為年度最佳發明之一。這件產品包含了一個EEG感測器和一個由感測器操控的「貓耳朵」。「貓耳朵」戴在頭上可以根據感情變化而改變形狀，在亞洲市場得到熱捧。
2013年，美國加州Hasaca National University (HNU) 宣布設立第一個虛擬現實腦機介面應用設計專業碩士學位。
2014年，公益組織「讓他們行走」（They Shall Walk）與華盛頓大學Rajesh Rao團隊合作開發在機器輔助肢體上應用的BCI技術。
2015年，斯坦福大學Krishna Shenoy團隊開發出新型軟體，使基於BCI技術的打字速度提高到與一個手指打字速度相同的水平。
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國內BCI行業情況
據估算全球2014年BCI相關產業產值為64億美元，而2018年將達到108億美元。
目前國內BCI相關企業較少。雖然一些著名大學研究團隊也加入BCI技術的研發，但核心研發能力相比國際水平仍顯不足。
國內研發BCI技術的團隊包括：清華大學高上凱團隊、清華大學高小榕團隊，上海大學楊幫華團隊，天津大學萬柏坤團隊、西安交通大學徐光華團隊、南開大學段峰團隊等。
國內研發BCI產品的公司包括： ** 北京津發科技、北京視友科技，北京飛宇星電子科技有限公司等。**
一級市場動態點評
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10秒鐘贏得數十億市值「秒拍」公司一下科技獲得新浪領投的2億美元D輪融資
一下科技成立於2011年8月，旗下的相關產品——秒拍、小咖秀、Vitamio、vplayer均是時下用戶熱度很高的應用。據一下科技官方數據顯示，秒拍每日視頻上傳量已超過100萬，日播放次數則達到5.1億次；小咖秀目前日活躍用戶已突破500萬大關。
弘則認為近來國內各互聯網巨頭加速在移動互聯網領域的跑馬圈地，一下科技的融資增加了移動視頻領域的想像空間，也表明了這個領域的未來大有可為。
滴滴戰略入股餓了么，將共建同城配送體系
出行和外賣是O2O的兩大高頻應用領域，滴滴的主要業務在「人」的出行，側翼是「物」的運送；餓了么的主要業務是在線外賣交易，物流配送作為基礎工程，則是其重要的側翼。雙方資源互補，將增強彼此的業務側翼。
弘則認為這筆併購案也意味著未來O2O市場上，不同領域的競爭者會進行更加深度的整合，並用抱團取暖的方式度過O2O行業競爭激烈的嚴冬。
九次方金融大數據平台獲得5億元融資
九次方金融大數據平台是一個企業大數據平台，構建了以金融大數據為核心的數據平台+金融交易及社交平台+決策工作的平台，基於900萬家公司數據、2000多項數據指標、10000多個數據模型，形成了針對商業銀行、政府徵信、互聯網金融、P2P公司、小貸、擔保、基金、證券等眾多領域的大數據解決方案。
弘則認為大數據產業的核心在於對數據的掌控和挖掘。對於數據的控制取決於公司布局市場的能力和對數據渠道的把握，而對於數據的挖掘取決於公司核心技術研發能力。大數據並不是遙不可及，而是需要細心梳理數據內在邏輯，並獨具慧眼尋找其中的商業機會。
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