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意念扎破气球:脑电的秘密 | 机智过人

编者按

编者按:用意念操控物体?这是科幻电影的情节吧?不,这一幕已经成为现实。8月18日晚8点,央视大型原创性节目《机智过人》第二季第二期节目中,韩雪和撒贝宁也试图通过“冥想”“引爆”气球。他们成功了吗?

由于节目时长关系,这部分内容在播出时被删掉了,《知识分子》获授权向读者展示这段神奇的表演。《机智过人》另一位嘉宾,《知识分子》主编鲁白独家揭秘,事实上,那个貌似很酷的脑电头环,在当时并没有像设计者预期的那样工作,也不只是与"关注"有关的脑电波,触发了气球的刺破。但是用输出脑电来控制运动,执行某种行为功能,的确有科学基础。

另外,机智团队利用肌电和人工智能算法,使一位59岁的乡村教师圆梦,场景感人至深,多少人为此泪洒。而节目背后,也隐藏着很有趣的科学道理。

结合本期节目,《知识分子》从科学和技术的角度准备了专文解读,以飨读者。

撰文 | 崔昊天 陈燕惠

责编 | 程莉

《机智过人》节目现场,在舞台中央的道具桌上,摆放着一些气球和3个头环。两位嘉宾韩雪和撒贝宁要做的事情很简单,即通过脑控装置引爆气球。头环的使用效果因人而异,脑力越好,进入状态越迅速,也会越快地引爆气球。

他们能顺利完成任务吗?

两人用尽办法,假意“怒发冲冠”,嘉宾韩雪的脑电波数值达到82的顶峰,率先爆破气球,随后嘉宾撒贝宁也“愤而”引爆了气球,一度“叫嚣”要用学霸的“脑力”碾压对方的撒贝宁惜败。

实际上,气球并非是被“想”炸的,而是通过道具桌上的隐藏针刺装置刺破的,这个针刺则是通过脑电波数值来控制的。

气球引爆的真正“幕后推手”

韩雪和撒贝宁头上戴着的,是哈佛大学脑科学中心在读博士生韩璧丞团队设计的一款脑机融合设备,专门用来检测与“关注”有关的脑电。这是一款简化的脑电检测仪,它只有3个电极,携带方便,样子还蛮“酷”。真正临床上用的记录“脑电图”的脑电仪有64 或者128个电极,通过一个头套戴在头上(见下图)。

►一位正在进行脑电检测的患者

脑电图(electroencephalogram,EEG)是指通过在人或其他动物的颅骨表面安装电极,进行非侵入性地记录大脑整体电活动的电生理检测方法。

脑电波作为一种自发的有节律的神经电活动,其频率变动范围在每秒1-30次之间,并且可以划分为五种波段:δ波(2~4Hz)、θ波(4~8Hz)、α波(8~13Hz)、β波(13~30Hz)和大于30Hz的γ波。其中αβ波段通常被称作快波波段,δθ波段则被称为慢波波段。脑电波在头颅不同部位的频率,幅度和相位变化,能反映脑的功能和状态。脑电图因此在临床诊断和神经科学基础研究中得到广泛的应用。

日常生活中,有大量的信息和数据需要大脑进行处理。因此,在做某一件事的时候,我们一定要集中注意力才能做好。注意(Attention),作为大脑的高级认知功能,影响着所有信息在大脑中的加工过程。和其他高级认知功能(例如:学习和记忆)不同的是,注意力是可以用脑电来监测和量化的。韩璧丞团队开发的脑机融合头环,正是利用了脑电波和注意力的相关关系,他们设计的头环获取的脑电中α波和β波的比值,可以间接反映注意力。当α波/β波或θ波/β波的比例上升时,可认为专注度上升;反之,比例下降则意味专注度下降。

节目中,两位嘉宾佩戴的头环检测到脑电波的数据,经过转换,获取了与“注意”有关的的α波和β波的比值,节目现场大屏幕显示的指数即是对专注度进行衡量后的一种可视化结果。观众能够直接观察到嘉宾“关注”某事时,脑电波数值的实时变化情况。人进入一个注意力比较集中的状态时,头环检测的数据达到80,此时检测的数值颜色变为红色,启动针刺动作,气球爆炸。这就好比给大脑装了一个遥控器,直接通过“脑力”来控制一件物品。

虽然在节目中两位嘉宾都通过“专注的意念”将气球爆破,但真正引爆气球的“幕后推手”可能并非只有与“关注气球”有关的脑电波。

“三心二意”的脑电

节目中,原本设定两位嘉宾背对着大屏幕,面对气球,“关注”气球的。通过集中注意力让头环监测到微弱的脑电波,进而促发针刺装置,刺破气球。但事实上,两位嘉宾在实验过程中并没有集中注意力“想”气球,而是背对着气球,面对屏幕,“关注”了屏幕上的数字!转头之间韩雪和撒贝宁的气球相继被刺破。

为什么没有关注气球,气球也会被刺破?这到底是怎么回事?

节目的另一嘉宾,清华大学的鲁白教授揭示了其中的原因,他说,一个好的检测工具,需要有3个基本标准:特异性,敏感性,实用性(简单,经济,好用)。本节目中用的头环,实现了敏感性和实用性,但却不够特异。

具体来讲,头环的特异性面临两个方面的挑战,一方面是由于脑电信号微弱,很容易受到如肌电和肢体运动信号等其他信号的干扰,比如在节目现场嘉宾讲话或身体运动,都会发出信号干扰头环的信号处理。另一方面,人们专注于不同事物时会产生类似的脑电反应,因此并不能通过脑电区分现场嘉宾是专注于气球还是大屏幕上的数字。

脑机接口的应用

脑电波作为脑科学基础理论研究的重要手段,除了利用脑电分析注意力之外,对脑电信号更深入的解读可以实现更多样化的脑机接口。

脑机接口的研究根据作用方式不同,可以分为非侵入式和侵入式两种。

非侵入式指的是,采集设备在头皮以外,通常用相应的脑电电极或佩戴脑电头套实现。举例来说,早期一种经典的脑电控制是通过采集人脑在想象运动时的自发脑电波(比如想象运动左手或者右手),用来控制打字输入或者机械运动。但是由于检测的信号微弱且信息传输速度慢,因此准确性不高。

进入本世纪以来,各种新型的脑电模式,例如诱发P300脑电信号和稳态视觉诱发电位信号等被广泛研究。2009年,清华大学医学院的洪波教授通过视觉目标移动,实现了不依赖闪烁刺激的稳健脑机接口打字输入,但打字速度不够快。

2015年,清华大学高上凯和高小榕教授的研究团队实现了基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的高速脑机接口,最快可以1秒左右打出一个字符。

侵入式脑机接口则是一种需要穿过头骨植入采集芯片实现的设备,这种设备显然会给使用者带来负担,但是直接从皮层采集信号,可以获得更强和更少受干扰的脑电波。从这个角度而言,这为患者带来更多可能性。

作为较早开始相关研究的代表之一,布朗大学研发的BrainGate系统便是运动皮层远程控制的代表成果。经过多年的不断尝试和改进,2012年,研究人员通过将一种名为Utah Array的电极列阵植入瘫痪病人的运动皮层,成功让瘫痪病人利用具有8个自由度的机械手完成自主喝咖啡的动作。

肌电圆梦

马复兴是一位乡村教师,59岁,4个月时因烧伤双臂肘关节下六七公分左右截肢,目前在青海省西宁市湟中县汉东乡下麻尔村小学任教数学教师。曾获2012年“全国最美乡村教师”称号等荣誉。1981年参加工作,37年以来,他只能用两只胳膊夹着粉笔写板书,冬天小臂末端的伤口裂开,白色的粉笔慢慢被血染成粉红色。他的心愿很质朴:握手、拿书,用手书写粉笔字板书。

马老师对操控自己的手没有记忆,又需要在台上短短的十几分钟内学会控制机械手,困难可想而知。拿书这一简单的动作,我们“日用而不知”,马老师经过反复训练终于人生第一次从书架上拿起书时,现场激动落泪:“它给我生命的感觉,我没办法传达给你们。”

基于肌肉电信号的控制系统是如何让奇迹发生的?

和脑电一样,肌电信号(Electromyogram,EMG)同样也是人体生物电的一种,节目现场,鲁白教授解释道:“肌电信号指的是我们肌肉组织收缩时伴随的电信号。正常来说,我们要让手做出动作,首先要在大脑皮层产生电信号,然后通过中枢神经传递到手臂的周围神经,再触发肌肉细胞产生肌电信号,由它来控制肌肉群做出收缩动作。人工智能肌电机械手就是通过肌电信号采集臂环,检测手臂上的肌电信号,之后运用机器学习的方法翻译给智能机械手,做到通过肌电控制机械手实现相应手势动作的功能。”

据统计,目前世界上失去手臂的人大概有几百万,这其中能顺利安装并使用假肢的人却不到1%。节目中由韩璧丞博士团队研发的智能机械手相对于普通的假肢,具有更强的控制度,可以完成单个手指的运动,而这些都得利于该项对身体生物电信号的识别技术更先进、算法更智能。

由于表面肌电信号(SEMG)在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点,因此在临床医学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。国际上对于肌电机械手的研究开展较早,目前市场上已经有一些产品投入使用,较为知名的包括i-limb公司,Michelangelo Hand公司的系列肌电控制机械手。

但是,不得不提的是,肌电信号同时也存在肌电识别手势数目有限,较难反应手势动态过程等诸多挑战。

以脑机接口和肌电控制为代表的相关研究,承载了延伸人类肢体边界的美好理想,也承载了众多残疾患者的康复希望。特别是脑机接口作为目前研究的热门领域,不仅受到了以Neuralink和Facebook为代表的工业界巨头的关注,各国政府也在不断地为脑机接口及其他神经工程相关领域增加相应的财政预算。其中,美国、欧盟、日本以及中国的脑计划都将为脑机接口提供关键神经生理基础与关键技术方法支撑。相信随着社会各界的推动,相关研究将克服特异性,实用性中的种种困难,更多地走向实践应用。 

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