BCI接口与人工智能

前言
何为BCI
BCI工作原理
BCI种类
- 侵入式脑机接口
- 局部侵入式脑际接口
- 非侵入式脑机接口
脑机接口的组成部分
- 信号的产生
- - 主动刺激或让其主动想象动作
  - 直接获取实验对象自发存在的脑电信号
- 信号的检测
- - EEG
  - FMRI
- 信号的处理
- - 过滤噪音
  - 检测信号类型
- 信号的解读
深度学习算法
脑机接口（BCI）的主要应用
- 替代
- 恢复
- 增强
- 补充
- 改善
机遇和挑战

前言

昨天我的研究生导师在群里发了篇关于脑机接口的文章，今天来梳理一下这篇文章，属于是一个科普性质的文章，感兴趣的同学可以看看。BCI（脑机接口）有和AI结合的趋势，是脑电信号操纵外部设备过程跟高效。如今高新技术实验室里，每天都在上演人机交互的过程，最常见的，残疾人通过训练自己的思想来控制机器人的四肢

何为BCI

BCI即脑机接口，是指通过在人脑神经与外部设备（比如计算机、机器人）间建立直接的连接通路，来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。说直白点就是用意念控制机器。用途：帮助残疾人修复视觉，听觉等感知功能和运动功能，让正常人工作生活更加健康高效。

BCI工作原理

人类的大脑充满了神经元，每当我们思考、移动、感觉或记忆时，就会激活这些神经元工作，神经元将信息以生理或电信号的形式从身体的一个部位传递到另一个部位，速度最高可达150m/s。信号路劲大部分互相绝缘，但仍存在一部分的泄露。这些泄露的金浩就是BCI设备能检测处理的脑电图（EEG)。通过EEG可以读取来自人脑的信号，并将其发送到放大器。放大后的信号被BCI计算机程序处理识别，并依据识别的结果控制设备。

BCI种类

侵入式脑机接口

定义：通过手术在大脑中植入电极或芯片，一般以芯片的形式被直接植入大脑灰质。这些芯片上有数百个短针，刺穿大脑灰质。
优点：获取的神经信号质量最高，时间和空间解析度高
缺点：在大脑灰质中容易形成疤痕组织，使信号变得更弱，手术风险高，主要应用于动物

局部侵入式脑际接口

定义：被植入颅内，但是在大脑皮层（没有进行穿刺），电极被嵌入在皮层上方的一个轻薄塑料衬垫中。
特点：信号质量较好，对脑损伤小，是折中的办法。

非侵入式脑机接口

特点：无需手术，直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非侵入式收集脑电信号的方法有头皮脑电（EEG）、功能近红外光谱（fNIRS）和功能核磁共振成像等，其中以EEG最为常见。EEG通常由头戴式的脑电帽通过电极从头皮采集，可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动。

EEG工作原理：通过附着在头皮上的小金属盘（电极）检测大脑的电活动。

脑机接口的组成部分

信号的产生

主动刺激或让其主动想象动作

这种方式检测更容易，因为你可以控制刺激强度和时刻

直接获取实验对象自发存在的脑电信号

信号的检测

EEG

检测大脑的电活动，有更高的时间分辨率（直接检测到神经活动时刻变化）

FMRI

检测与大脑血流相关的变化来间接获得神经活动信号，有更好的空间分辨率（图片数据可以呈现活动发生的位置）

信号的处理

过滤噪音

检测信号类型

信号的解读

产生有效的反馈来帮助人类，目前脑机接口的精度较低

深度学习算法

卷积神经网络（CNN）使BCI研究中最流行的深度学习模型，这里介绍的比较少，大概就是说CNN在BCI的研究中大有用武之地

脑机接口（BCI）的主要应用

替代

脑机接口的输出可替代由于损伤或疾病而丧失的自然输出，如丧失说话能力的人通过脑机接口输出文字，或通过语音合成器发声。

恢复

脑机接口的输出可以恢复丧失的功能。如人工耳蜗已经帮助数十万失聪人恢复听力，人工眼球可以帮助失明人重新看到东西，中风患者可以通过脑机接口技术对患者大脑运动皮层进行训练，帮助病人进行康复

增强

针对健康人，实现机能扩展。如脑机器接口监控数据防止疲劳驾驶

补充

除了手控（类似手操作鼠标），我们还可以用脑机接口提供新的操作维度。

改善

类似于恢复，大概说的就是让原有的机能更强

机遇和挑战

传感技术的局限、大脑工作机制的了解十分有限，总之一句话，道阻且长，但未来光明

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