研究無邊無際的“星河”，深刻探索“黑洞”的奧秘;出版《時間簡史》、《果殼中的宇宙》……史蒂芬·威廉·霍金，科學界神一般存在的物理天才，20世紀享有國際盛譽的偉人之一。

有誰能想象到，就是這樣一位全身癱瘓、不能言語、大半生困于輪椅中的肌肉萎縮性側索硬化癥(俗稱“漸凍癥”)病人，僅僅靠著唯一能動的雙眼和3根手指與外界聯系，艱難地描繪他的偉大的物理學夢境;后來在氣管切開術與漸凍癥的雙重夾擊下，使用“拼寫板”靠目光拼出字母來進行學術交流。其后借助單個按鍵的鼠標操作電腦打字，打字后通過語音合成器讀出文本。在許多科學家的幫助下，霍金也曾嘗試過一段時間的“眼動追蹤技術”和“腦電波識別術”，但都因不習慣以及疾病逐步惡化而放棄。如果在今天，在“手寫腦機接口”技術的輔助下，相信霍金一定能靠著意念快速打字，順暢地打開和宇宙對話的大門，再次書寫他的人生傳奇。

科幻大片中的場景成為現實

今年5月中旬，國際權威期刊《自然》的封面發表了一項重磅研究成果：來自斯坦福大學、布朗大學和哈佛醫學院的知名科學家聯合開發了全新的腦機接口技術，能夠幫助癱瘓病人直接將腦海里的“想法”轉換為電腦屏幕上的手寫文字，由此使“打字”速度突飛猛進，每分鐘高達90個字符，僅僅略低于研究對象同年齡層人群用手機的一般打字速度(每分鐘115個字符)。這個結果聽起來如此不可思議，貌似只會在科幻大片中才有的場景，今日終于初見端倪，有望讓霍金一樣癱瘓、失語的患者“恢復”快速精細的動作，重新找回聯系外界的“路徑”。(記者 李麗云)

以上科研成果的發布，再次將“腦機接口”這一熱詞納入公眾視線，拉高了廣大群眾尤其是特殊人群對“人機對話”的無限憧憬和熱切期待。近日，哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院生物體傳感技術課題組曹天傲博士在接受記者采訪時，對腦機接口技術進行了全方位科普解讀。

曹天傲博士自本科以來一直追蹤和研究生物醫學工程領域關鍵技術，如生物信號處理、主動康復機器人、腦電信號與肌電信號融合、傳感器信號處理等，目前已發表論文10篇。其中，SCI(科學文獻索引)論文3篇，EI(工程索引)論文7篇;專利受理6項。科研方向為脈搏波、腦電和肌電等人體生物電信號處理及應用，在無線體域網中血氧和心率傳感節點研究、基于腦電信號的突發性疼痛識別，以及肌電信號控制假肢等研究項目中均有建樹。

腦機接口連通“信息孤島”

人的大腦，無時無刻不進行著各種各樣的復雜神經活動，其蘊含的信息也多種多樣，例如麻醉、睡眠、疼痛、專注度、疲勞度、肢體運動信息，等等。而當人類出現外在反應時，其大腦活動已先一步發出指令。我們的大腦就是“司令部”，發出最原始的第一手信息。肢體則是下屬各個“兵團”，負責執行大腦的命令，完成對應的任務。

曹天傲解讀說，正常人在進行內心意圖表達時，可通過語言文字、肢體動作和表情神態等多種“工具”來傳達，周圍的人很容易理解。但是癱瘓患者、失語病人以及其他各種各樣表達有困難的群體，盡管他們的大腦思考速度與正常人無異，但在信息時代，使用智能設備、與周圍人交流時，卻十分困難，很難通過外在表現傳遞他們的思想活動及意圖，因此帶來諸多的不便與誤解，猶如被流放到了“信息孤島”上。

曹天傲通俗地解釋說，腦機接口技術，即通過直接探究大腦運轉時內部的神經細胞簇的活動，從源頭上獲知“司令部”發出的最原始的第一手信息，例如控制肢體以什么速度、什么方位、多大力量、運動多長時間;再如大腦中繪制什么樣的圖畫，編輯什么文本信息……其原理是不同的思想活動對應不同的神經細胞簇的活動;具體來講，就是在不同的思想活動中，各個神經細胞有不同的放電模式，存在對應關系。只要能識別出神經細胞的放電模式，就能判斷出對應的思想活動軌跡，實現對被試者大腦活動的破譯工作。

在此之前，腦機接口技術已經成功幫助癱瘓患者做簡單的動作(比如伸手或操縱大型物體)。繼馬斯克公司在今年4月向公眾展示猴子用意念玩游戲后，腦機接口研究便被癱瘓病人寄予了更大期望。打字方面，患者可以通過眼球轉動追蹤鍵盤，選擇想要的字母，拼接成單詞，以此類推，最終形成完整的句子。漸凍癥病人也能靠眼神進行頻道切換，以收看自己喜歡的電視節目。通過眼球每分鐘能打出大約47.5個字符，比正常敲字的速度要慢許多，且可能對患者的身體造成一定程度的損害。之后發明了腦控鼠標光標，依次選擇想要的字母，形成單詞和句子，每分鐘打出的字符不超過90個。而當前最新的專門用于打字的腦機接口技術更為靈活，使癱瘓病人的打字交流速度明顯加快，且無需視覺提示，不占據用戶的視覺注意力，對大腦損害小。

用大腦信號打字不再是夢

曹天傲認為，作為真正的世界前沿性成果，“手寫腦機接口”技術從各個環節增強了“打字”的準確度和加速度。該技術首先選取了植入大腦的微型電機陣列，保障了腦電信號的采集質量及其豐富性。腦電信號是大腦中多個神經細胞活動的外在表現，且信號質量隨著遠離神經細胞簇而降低。針對“打字”這項艱巨的任務，非侵入式的表面頭皮腦電信號無法滿足要求。而微型電機陣列好比國際象棋的棋盤，在用戶想象要寫的字母時，植入大腦的電極可以捕捉和測量許多神經元的電活動，更加精確地落實大腦“司令部”的詳細指令，以滿足“打字”的要求。

曹天傲進一步解釋：信號采集之后，通過有線傳輸的方式，使得信號中的有效成分得到盡可能多的保留，避免了無線傳輸中部分信息的耗損。將信號去除噪聲后，需要解碼其中包含的“打字”內容。研究人員用人工智能模型學習神經活動和真正寫字時手指活動的映射關系，針對特定的手指活動對應特定的字符，從遞歸神經網絡學習每個字母產生的神經活動模式，并分析這些活動模式在多個試驗中的關系，利用降維手段生成聚類圖。算法會用此信息預測當前試驗中參與者所想象的字母，并將相關預測轉換為印刷輸出。然后再用一個語言模型(通過前幾個字符預測下一個字符)對輸出的初始結果進行校正，使最終屏幕上呈現的結果(文字)更加精準。

與此同時，美國斯坦福大學領銜的科研團隊也做了大量的前期工作，例如篩選神經活動明顯的被試者，從源頭上提高采集信號的質量及可識別性。選定理想的被試者后，需要開展大量的訓練，以培養受試者對26個字母的敏感性，形成特定記憶，相應地產生特異的可識別腦電信號。不過，很少有用戶能夠連續幾個小時堅持思考自己要寫的內容。鑒于長時間訓練的疲勞與枯燥，研究人員嘗試借助一種數據增強的方法，即先前由參與者生成的神經活動模式可用于生成人工語句，然后在人工語句基礎上做訓練。他們還通過在神經活動模式中引入人工可變性來擴展訓練數據，以模仿人腦中自然發生的變化。這種可變性有助于神經網絡的腦機接口技術更加穩定。

為便于廣大讀者更好地理解“手寫腦機接口”技術，曹天傲還生動地比喻說：人體動作的傳達，經歷了大腦“司令部”到各個器官肢體“正規軍”的層層指令。對于癱瘓病人來說，其大腦“司令部”雖然工作如常，但肢體功能已經受損，相當于“正規軍”的戰斗力被嚴重削弱，不能有效地完成“司令部”下達的作戰命令。為了避免大腦“司令部”淪為“光桿司令”，腦機接口技術則“代為傳達情報”，另辟蹊徑獲取信號傳導通路中的信息，并交給配套設備等“預備役”，例如人機互動界面、外骨骼、假肢、康復機器人，等等，用來代替“正規軍”并實現“正規軍”本該完成的工作任務。