用“思维”来控制电器开关和物体移动，这种曾在科幻电影里反复出现的场景，如今通过一项名为“脑机接口”的技术变成了现实。在最近的一次世界脑电波数据解读竞赛中，我国科研小组在7项测试中获得了3项第一，标志着我国在脑机接口中最关键的脑电波的解读研究方面已经处于国际领先地位。
思维也可探知
“脑—机接口”(Brain Computer Interface，简称BCI)是通过实时记录人脑的脑电波，在一定程度上解读人的简单思维，并将其翻译成控制命令，来实现对计算机、家用电器、机器人等设备的控制。这一技术是近年来神经科学和信息处理技术学科交叉产生的一项创新性成果。
科学研究发现，人脑思维的时候，神经细胞会产生几十毫伏的微弱电活动，大量神经细胞的电活动传到头皮表面形成所谓的脑电波。脑电波是大脑思维活动的一种外在形式，分析这些脑电波可以在一定程度上判断出大脑的思维状态。自从上个世纪20年代末德国科学家发现脑电波信号后，它就被用于神经系统疾病诊断、脑功能研究等方面。与此同时，人们也想借助脑电信号解读人的思想或意图。然而，这样的想法在很长时间里我们都只是在科幻小说或电影中看到，而并没有在真实的世界中呈现。这主要是由于脑内电活动的外在表现十分复杂，而人们对其的理解却十分有限，况且要实时记录和分析多通道脑电信号也需要有可靠的工程方法。
在经过长时间的研究后，人们逐步对脑电信号中主要的节律成分、各种诱发脑电信号及一些特定信号产生的机理、信号源的空间位置及其相互关系有了一定的了解；同时，神经科学的研究还揭示了某些行为，如肢体真实运动和想象运动与脑电信号的关联性；近年来脑电信号的检测、分析和处理技术的长足进步，使得人们已经有可能在大脑和外部设备之间建立起一个直接的交流渠道。
让“物”动起来的不是“心”
人的某些思维活动在脑电波中能体现出某种节律和空间分布的特征，借助高性能的生物电信号采集系统以及专门设计的计算机算法，可以把这些特征实时地提取出来，并进行自动分类，从而实时判断出当前这个人所处的思维状态。计算机判断出来的思维状态可以翻译成预先设定的控制命令，通过无线网络发送出去，从而实现人脑对计算机、家用电器、机器人等外部设备的直接控制，由此实现了人类梦寐以求的物随心移、心想事成。如用“思维”来拨打电话，你只需盯着键盘上某个按不同频率在闪烁的数字，电脑就会自动把这个数字拨出来；同样，也可以用“思维”来浏览网页、操控家电等。
所谓的“物随心移，心想事成”只是一个形象说法。真正让“物”动起来的不是“心”，而是计算机指挥的电子设备，而这个指挥命令是从大脑的思维活动中解读出来的。解读脑电信号的最大挑战在于，一方面脑电波信号十分微弱，通常在头皮检测到的电压大约只相当于普通干电池的十万分之一，而且其中有用的信号常常湮没在杂乱的背景噪声中，分析处理很困难，因此必须采用先进的信号处理方法来分析；另一方面是因为人脑的思维活动非常复杂，而且个体差异很大，精细思维活动的规律还没有研究清楚。目前，计算机还只能区分出很少的简单思维活动，比如想象手脚运动、注意力转移、进行数学运算等。
我国脑—机接口技术国际领先
全球范围对此领域的基础研究已经有很多年了。各国尖端研究领域都非常重视它的研究价值。在麻省理工学院的“21世纪能改变世界的十大技术”排行榜中，脑—机接口技术排在第一位。而最近5年，该领域进展迅猛，科学家已经在实验室部分实现了人脑对机器的控制。清华大学生物医学工程系教授高上凯领导的研究组在处理和解读神经信号方面进行了长达20年的研究，1999年在国际上较早研制成功了解读视觉脑区信号的脑—机接口系统，并创造了每分钟60比特的最高通讯速度，也就是说可以在一分钟内用脑电波轻松拨出一个手机号码。而国际上同类系统的速度一般在25比特左右。
我们清华大学研制的这套系统由电极帽、脑电波放大器和一台计算机信息处理器组成，用来采集、放大和分析处理脑电波，进而解读人的思维状态。该研究组采用这套方法成功实现了实时解读大脑运动皮层信号的脑—机接口。这个新系统不再需要任何外界的视觉刺激，只需想象自己的肢体运动，计算机就可以通过脑电波判断出你在想的是什么运动，并翻译成相应的控制命令，来控制家电的开关或者机器人的运动。与美国和欧洲的同类研究成果相比，该系统在多个方向的实时思维控制方面，具有速度和准确率上的优势。
虽然脑—机接口的概念及实现的可能性早已被证实，但是，如何能正确解读受试者的意愿仍然是一个极具挑战性的问题。全球的各个研究小组纷纷提出各自认为有效的分析方法，来解读大脑的控制命令。此时，如何客观地评价这些算法的真正意义成了大家关注的一个问题。基于此背景，一些著名的脑—机接口研究小组发起组织了全球脑—机接口数据竞赛。清华大学医学院生物医学工程系在连续两次的全球脑—机接口数据竞赛中都取得了突出的成绩，最近一次竞赛中获得7项比赛中的3项第一，说明我国学者在神经信息解析方面达到了比较高的水平。
我们研制的基于稳态诱发电位的脑—机接口系统，可帮助运动障碍的残疾人拨电话、控制计算机或其他家用电器，尽管系统的构成非常简洁，但系统的信息传输速率达到了该领域世界领先水平。而在另一种基于想象运动的脑—机接口系统中，受试者特定脑电波的产生是依赖于自身的运动想象(无需实际运动)。当受试者想象自己的左手运动、右手运动和腿部运动时，能产生3种不同的控制命令。目前，该系统进行实时三分类的分类精度也达到了世界领先的水平。
完全解读思维也许将是无止境的
全世界有数千万全身瘫痪病人，其中包括脊索损伤、
中风、肌萎缩等原因引起的瘫痪，他们因此而失去了对肢体的控制能力，尽管现代医学可以长期维持他们的生命，但失去希望的长期卧床生活使他们的生活质量大大下降。脑—机接口系统研究最初是希望帮助那些丧失了运动能力但大脑功能正常的残疾人，让他们通过这样的系统用自己的思维直接操控轮椅、假肢，甚至使用计算机。目前这一研究极大地推动了人们对于人脑思维能力的认识和利用。这项技术不仅可用于残疾人康复，在军事、人工智能、娱乐等方面的应用也初见端倪。在未来的三五年内，以脑—机接口技术为基础开发的医疗器械产品，将会逐渐完善和成熟，并最终应用于医疗实践，造福于千千万万个生活无法自理的瘫痪病人。
人类离完全解读思维的奥秘还有很长的路要走，也许这个过程将是无止境的。有关脑—机接口的研究也只是掀开了人类简单思维活动的一角，并通过工程方法的创新找到了应用。我国脑—机接口研究已被列入“十一五”国家科技支撑计划、“863”计划、国家自然科学基金重点项目等国家级研究计划。目前有关研究者正在和国内一些医学康复研究机构开展合作，研究如何利用这样的系统帮助残疾人提高生活质量、加快康复速度。
作者：
2007-8-1