清华、中科院PNAS：无创“脑控”技术

近期，来自清华大学、中科院半导体研究所的研究人员，与加州大学的研究人员合作，在《PNAS》上发表一项重要研究，成功实施了一种非侵入性的脑机接口，获得了迄今最快的信息传递率。

　　

生物通报道：脑机接口（BCIs），科幻小说的一个长久主题，电影《阿凡达》男主角是一位坐在轮椅上的残障人士。然而，他却可以用思维去控制一具人造“外星人”躯体，演绎了一场“心灵感应”的神奇。这得益于“脑机接口”技术的创新发展，自上世纪70年代“脑机接口”技术诞生以来，经过近半个世纪的发展，如今已能实时捕捉大脑复杂神经信号，并用来直接控制外部设备，使得人和机械可以作为一个生命不同组成部分而共存。相关阅读：大脑控制仿生义肢问世。

实现实用性BCIs的一个障碍在于低的通信速率。当前，建立脑机接口最常用的方法是通过脑电图（EEG）技术，由于其非侵入性和低成本。不幸的是，由于EEG信号的低信号噪声比，信息传输速率只限于1.0 bits /秒。这种技术广泛应用于不能沟通的人使用的拼写系统，在该系统中，用户视觉上靶定被计算机读取的一个字母。在一些系统中，信息传输速率很慢，每分钟五个字母。

在动物和人体模型中，涉及手术植入假体的无创系统，可导致更快的信息传输速率，但是很显然是不实用的。现在，来自清华大学、中科院半导体研究所的研究人员，与加州大学的研究人员合作，在《PNAS》上发表一项重要研究，成功实施了一种非侵入性的脑机接口，获得了迄今最快的信息传递率。清华大学医学院的高小榕教授和中科院半导体研究所“****”王毅军，是本文共同通讯作者。

研究人员根据稳态视觉诱发电位（SSVEPs）构建了这一系统。SSVEP拼写系统可检测用户对一个目标性状的视线方向，基本上是一个键盘，通过转移视线方向而不是手动进行操作。使用SSVEPs的现有系统，获得了很高的信息传输速率，但这种系统的上限仍然是未知的。

作者推测，单次提取SSVEPs的视觉延迟（如刺激过程中的神经元集群活动所示），在试验过程中将会是非常稳定的。他们这样写道：“如果这是真的，刺激信号的频率和相位可以被精确地编码在单次提取SSVEPs中。使用同步调制与解调范式，可以在SSVEP拼写中预期更好的性能，这已被广泛应用于电信。”为了进一步改进该系统，研究人员采用了一种用户特定的解码算法，该算法可以根据视觉延迟的个体差异而进行调节。

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该系统解决的另一个问题是，嘈杂的EEG信号干扰引起的视觉延迟的测量难度。研究人员使用了一种新的视觉延迟估计方法，进行弥补。测试对象的在线拼写性能当中，平均拼写率大约是每分钟50到60字，信息传输率在每秒4.5到5.5 bits，与现有的无创BCI拼写系统相比，是一个巨大的进步。

研究人员指出，还需要进一步的研究，才能构建能够高负载工作的系统，以及确定长期视觉延迟的稳定性。

（生物通：王英）

注：高小榕，教授，博士生导师。1963年6月生于北京。1992年获清华大学博士学位，之后在清华大学任教，先后担任讲师、副教授、教授和博士生导师。2004年入选清华大学"学术新人奖"。主要研究方向是脑-机接口（BCI）。以他为核心骨干的研究团队在该领域的研究处于国内领先、国际先进水平。

王毅军，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，2015年入选中组部“****”计划。2001年和2007年在清华大学分别获得生物医学工程学士和博士学位。2008年至2015年在加州大学圣迭戈分校神经计算研究所先后任博士后研究员和助理项目科学家。长期从事神经工程和计算神经科学的研究，研究兴趣包括脑－机接口、生物医学信号处理和基于脑电信号的脑成像方法。已在学术期刊和会议上发表了70多篇学术论文，多篇论文发表在生物医学工程和神经工程的顶级期刊上。

生物通推荐原文摘要：
High-speed spelling with a noninvasive brain–computer interface
Abstract: The past 20 years have witnessed unprecedented progress in brain–computer interfaces (BCIs). However, low communication rates remain key obstacles to BCI-based communication in humans. This study presents an electroencephalogram-based BCI speller that can achieve information transfer rates (ITRs) up to 5.32 bits per second, the highest ITRs reported in BCI spellers using either noninvasive or invasive methods. Based on extremely high consistency of frequency and phase observed between visual flickering signals and the elicited single-trial steady-state visual evoked potentials, this study developed a synchronous modulation and demodulation paradigm to implement the speller. Specifically, this study proposed a new joint frequency-phase modulation method to tag 40 characters with 0.5-s-long flickering signals and developed a user-specific target identification algorithm using individual calibration data. The speller achieved high ITRs in online spelling tasks. This study demonstrates that BCIs can provide a truly naturalistic high-speed communication channel using noninvasively recorded brain activities.