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介绍

“我不想成为家养宠物，那么如何解决这个问题呢？我认为最好的方法是在人类大脑中添加人工智能层。” ——埃隆·马斯克

2019年可以说是脑机接口（BCI）元年。 2019年7月，马斯克旗下公司Neuralink发布了该公司研发的首个脑机接口（BCI，脑机接口英文缩写）系统，从而点燃了普罗大众对这项科幻技术的关注和追捧。 BCI系统利用神经外科机器人像微创眼科手术一样安全无痛地在头部打孔，快速将芯片植入大脑，然后通过USB-C接口直接读取大脑信号。也可以使用iPhone 进行控制。但世界上第一个提出“BCI”概念的人是谁呢？他是如何建造世界上第一个非植入式脑机接口系统的？

图1 用于插入线的“神经外科机器人”（来源：Neuralink）

图2“缝合机”是一种神经外科机器人，每分钟可以植入六根线。整个过程特别像缝纫机。

图3 采用特殊芯片读取大脑信号并进行降噪和信号放大。目前该系统使用USB-C接口来传输数据。

图4 无线传感器，马斯克的长期目标。

脑机接口的诞生

“科学天才，就像艺术天才一样，从根本上讲就是做出正确选择的能力。” ——比利时科学史家乔治·萨顿

Jacques J. Vidal 是加州大学洛杉矶分校(UCLA) 计算机科学系的名誉教授。 1973年，Vidal教授在发表于《生物物理学与生物工程年度评论》的论文中首次提出了“BCI”的概念。从此，“BCI”作为一个“黑科技”术语正式登场，走进了各路学术大佬和陌生人的视野。它已一代又一代地流传和传承。

图5 Jacques J. Vidal Jacques J. Vidal 教授出生于比利时列日。列日位于比利时东部，比利时列日省首府，地处欧洲中心。地理位置如下图所示。

图6 列日

列日是一座非常特别的城市，既现代又古老。列日曾经是德意志帝国的一个独立公国，八世纪的历史造就了“列日”精神，这是傲慢和坚韧。很有趣的是，虽然列日的旅游业不发达，但如果走在列日的街道上，你会看到充满历史气息的建筑，仿佛在诉说着查理曼辉煌的过去。

图7 瓦隆皇家歌剧院

图8 圣保罗大教堂

图9 王子宫殿

另一方面，列日是一座现代化城市。这里不仅交通发达，高速公路网与欧洲各大城市相连，“母亲河”默兹河的港口条件也在欧洲名列前茅。经济和工业上，作为历史上著名的纺织和冶金工业区，列日逐渐发展成为新的多元化产业，如电子、生物化学、飞机发动机、航空航天、天体物理等。因此，与许多其他欧洲城市相比，列日有许多造型特殊的现代建筑，使城市整体显得更有活力。

图10 布埃伦山

图11 弗拉涅桥

图12 列日狂欢节

图13 列日古尔曼高铁站

值得一提的是，Vidal教授毕业于列日大学（Universit de Lige）。该大学成立于1817年，是第一所国家资助的公立法语国际大学。小编举起兰花数了数，已有两百多年的树龄了。虽然在国际大学排名中并不是很高，基本稳定在200-250之间，但仍算得上是世界500强大学之一。

图14 列日大学位置

图15 列日大学

图16 列日大学

1954 年，雅克·维达尔(Jacques Vidal) 从列日大学(University of Lige) 获得电气工程学位。可见，他又是一位跨界高手。维达尔教授的经历不仅跨越了界限，而且很特别。

大学一毕业，他就加入了比利时空军，过着放荡不羁的生活，最终以比利时预备役第一副上尉的身份结束了自己的军旅生涯。驾驶完战斗机后，这位退役空军中尉回到列日大学，穿上西装，拿起教鞭，变身为一名大学生，开始了学术生涯。

现在我成了“科研狗”，没有博士学位是不行的。维达尔于1961 年在巴黎大学获得博士学位，并于1963 年离开比利时前往美国，加入加州大学洛杉矶分校工程学院。随后，Vidal教授与其他学者共同创立了该校计算机科学系，并作为该系创始成员和名誉教授光荣退休。

当然，和很多知名教授一样，维达尔教授已经退休，继续和研究生一起工作在科研第一线。他的招牌课程——神经网络与软计算一直很受学生欢迎。经过多次修改和偶尔更名后，过去30 年每年都会举办。可以说，它正在走强，是我们这一代人的榜样。

图17 巴黎大学

图18 加州大学洛杉矶分校(UCLA)

维达尔教授一直对大脑的奥秘感兴趣。 1970年，他从加州大学洛杉矶分校大脑研究所休学一年，研究哺乳动物前庭系统，并加入了Jose Segundo教授领导的研究小组。他后来被选为研究所董事会的永久成员。后来自己接项目、做研究，突然就收到了美国国防部资助的人机通信项目（BCI项目）。根据官方声明，“这是一项大型、政府资助、面向未来的科学研究的一部分，涉及生物控制论和人机交互。”其中一个成果是首次成功尝试将大脑信号纳入人机通信。开发了所谓的脑机接口系统。

大人物就是大人物。如果他稍微跨越一些界限，他就会想出一些令人震惊的事情。 1973年，Vidal教授正式发表了论文，即《Toward Direct Brain-Computer Communication》。在这篇学术论文中，他首次创造了“BCI”一词，并构建了世界上第一个非植入式脑机接口系统。

图19 Vidal教授在1973年发表的论文中首次提出了“BCI”的概念

脑机接口这个术语实际上有很多不同的名称。虽然它们都绕过了人类的肌肉四肢和周围神经系统，或者按照某学者（即小编）的说法，绕过了基于言语和行为表征的符号系统，建立了人脑与外界的直接沟通。机制，但各学界人士基于不同的学术视角有不同的看法。

例如，杜克大学热情的巴西神经科学家Nicolelis 将其称为BMI，代表脑机接口。与BCI中强调的C即Computer不同，BMI更强调大脑与包括计算机在内的更广泛的外部机器设备的连接和交互。其他名称包括神经控制接口（NCI）、思维机器接口（MMI）、直接神经接口（DNL）等。

图20-1 BCI运行模型

植入式BCI 和非植入式BCI

“对大脑机制的研究可以引导我们将生物学和心理学结合起来，形成一门解释人类行为的新兴学科。” —— 英国生理学家、诺贝尔生理学和医学奖得主埃德加·道格拉斯·阿德里安

Vidal教授创建的脑机接口系统是一种非植入式脑机接口系统。前面介绍的菲茨教授和备受争议的西班牙神经科学家德尔加多教授创建的脑机接口系统都是植入式脑机接口系统。这两类脑机接口的分类主要依据电极的放置位置以及是否对脑组织造成创伤。

植入式BCI，顾名思义，需要一个“脑洞”来植入电极，这必然会对脑组织造成一定的创伤。因此，虽然植入式BCI采集的信号质量较好，但其缺点也很明显。正常人的脑袋里无缘无故地开了一个“想象中的洞”，总感觉有点可怕。如果感染没有得到很好的治疗，那就不好了。

而非植入式脑机接口则不需要侵入脑组织，只需要收集脑头皮的信号。相比之下，它们更安全，更容易被普通人接受。当然，由于颅骨的遮挡和外界环境的干扰，采集到的脑神经信号的质量要差很多。打个比方，就像在足球场上方使用耳机，聆听体育场内吃瓜群众的欢呼声。很难说清楚是谁在欢呼。植入的脑机接口可以听到谁在欢呼。两种系统各有优点，代表了BCI的两种发展路径。

图20-2 除了三种类型的BCI外，还有一种半植入式或半侵入式BCI，称为皮质（ECoG）脑电图接口，它是上述两者的折衷方案。如何妥协？顾名思义，半侵入式或半植入式BCI仍然需要植入，但相比侵入式BCI插入大脑皮层的极端方法，半植入式BCI一般只穿透颅骨或颅骨。下面的硬脑膜。这样采集到的脑神经信号是很多神经元聚集在一起的信号。虽然它们无法达到植入式BCI 可以到达单个神经元的精度，但与非植入式BCI 相比，信号质量显着提高，来自外部环境的干扰也会减少很多。因此，半植入式或半侵入式BCI未来前景广阔，也是BCI的重要发展路径。

图21 头皮脑电图部分细节

图23 植入式ECOG 网格（华盛顿大学）

脑电图简史

“高等哲学家是孤独的，不是因为他想孤独，而是因为他周围没有其他同类。” —— 德国哲学家尼采

简单讲完BCI的分类，我们来看看Vidal博士打造的世界上第一个非植入式BCI系统的神经生理学基础。它实际上是基于脑电图开发的。什么是脑电图？这要从一百年前一段孤独的往事说起。

在脑电图发现之前，科学家们多年来一直在探索生物电。 1791年，意大利的路易吉·加尔瓦尼(Luigi Galvani)偶然在青蛙身上发现了生物电——BiologicalElectricity。第一个记录动物大脑电活动的人是英国的罗纳德·卡顿（Richard Caton，1875）。他记录了兔子和猴子大脑中的直流电电位，并认为这可能与大脑功能有关。

图24 意大利医生、动物学家路易吉·加尔瓦尼

图25 Luigi Galvani 的实验

图26 理查德·卡顿，英国医师、生理学家

第一个发现并准确描述人脑电活动的人是德国精神病学家和心理生理学家汉斯·伯杰（Hans Berger，1873-1941）。他也是EEG（脑电图，德语Elektrenkephalogramm）一词的命名者。脑电图的发现以及最终被世人接受和应用，可以说见证了一个科学家科学精神的伟大和孤独。

图27 汉斯·伯杰，德国精神病学家。 1924年发明了脑电图，并创造了脑电图的名称，并且是波节律（也称为伯杰波）的发现者。说起伯杰教授20多年来对脑电图的艰苦追求和发现，实在是一段苦乐参半的经历，也不乏一种宿命论或神秘主义的感觉。

伯杰教授早年进入柏林大学学习天文学，与精神疾病完全无关。当小编偶然发现这个鲜为人知的故事时，我有些困惑。幸运的是，伯杰教授当时可能对天文学不感兴趣，所以一年后就退学了。辍学后，他与本文的主人公维达尔教授有同样的经历，并成为一名军人，丰富了自己的生活。结果他在部队服役时发生意外，骑马时受伤。本来，作为一名军人，受伤、获奖是很正常的事情。但伯杰教授身上发生的事情有点奇怪。

据说，当他骑马受伤时，远在他乡的妹妹竟然产生了“心灵感应”，感觉到伯杰遇到了麻烦，只好请伯杰的父亲给他发电报询问。要知道，当时（19世纪末）发电报是非常昂贵的。幸运的是，他的父亲是一名医生，并不缺钱，所以他立即给伯杰发电报。我猜伯杰收到电报的时候已经彻底惊呆了！太神奇了！他年轻敏感的心，大概被打击了一万次。这使他相信亲戚之间存在所谓自发的“心灵感应”。他相信，当他遇到危险时，他的脑电信号被妹妹接收到了。这真的很神秘，很自发。上帝的旨意。这件事改变了伯杰的生活，促使他二十多年来不断追求“心灵与大脑”的联系。伯杰因此加入了耶拿大学（成立于1558年）。德国最传统、最古老的大学之一。 ），改学医学，希望找到精神活动对应的大脑电信号，或者说所谓精神能量的生理基础。

图28 Friedrich Schiller-耶拿大学伯杰教授真是不容易啊！二十多年的实验并非一帆风顺。大多数人早就放弃了。但我不知道他是否真的受到上帝意志的引导，还是他对科学真理的信仰。终于，1924年，当他通过头部外伤患者的颅骨缺损将两根铂金针状电极插入大脑皮层时，第一次成功记录了人脑中规律的电活动。那一天是1924 年7 月6 日。

第一次记录人类脑电波后，伯杰教授非常平静，又等了五年。直到1929年，随着技术的进步，波形变得更加清晰，他发表了第一篇关于人类脑电图的论文。发表一篇论文花了五年！哈哈，你在开玩笑吧？如果今天的三年考核推迟的话，分分钟他就会被裁员！更让伯杰教授郁闷的是，当时他的德国同事没有一个认可他的发现，认为伯杰做错了什么。大佬就是大佬！伯杰教授坚称青山不会放松接受死亡。他不仅没有动摇，还一口气发表了14篇脑电图论文。直到1933年，英国著名生理学家埃德加·道格拉斯·阿德里安重复了伯杰教授的工作并认可了他的成果后，情况才发生了变化。

图29 英国著名生理学家埃德加·道格拉斯·阿德里安（是的！他太帅了！）阿德里安在当时设备最完善的剑桥大学生理实验室与B. Mathews一起研究脑电图，证实了波和伯杰提出的贝塔波。波，并提出将波称为“伯杰节律”，但被伯杰本人拒绝。

伯杰的脑电图研究得到阿德里安等人的肯定后，脑电图研究迅速发展，并在全世界推广。讽刺的是，尽管伯杰教授因脑电图的发现而闻名于世，但他的研究成果在他的祖国德国却并没有得到很好的认可。到1938年，他的研究成果终于被世界（学术界）所接受。正当他准备大展宏图、大展拳脚时，第二次世界大战爆发了。不但访美计划被搁置，脑电图研究甚至被当时的纳粹政权禁止。房子漏水了，却一直下雨！不久之后，伯杰教授被迫退休。退休后，伯杰教授变得更加抑郁，心脏不好，并且患有严重的皮肤感染。 1941年6月1日，在他工作多年的医院里，这位毕生探索“心灵与大脑的关系”的老科学家上吊自杀了。出色地！ “如果你没有几个亲密的朋友，当你的弦断了，没有人会听你的。” “前世名利，后世名利，祸福无常！”

图30 伯杰和女儿伊尔瑟的脑电图伯杰教授去世后，他发现的脑电图-EEG及相关电生理技术在美国、英国、法国等国家迅速推广并进入临床诊断，成为当时的神经科学家。是诊断和治疗全身性疾病、癫痫、脑肿瘤、脑外伤等疾病的重要工具。 20世纪60年代，随着计算机技术的出现和应用，脑电图的准确性大大提高。脑电图再次展现出巨大潜力，成为Vidal教授本文构建BCI系统的神经生理学基础。

图31 EEGEEG，英文是Electroencephalogram，一个相当长的单词。脑电图是它的缩写。通常称为脑电图。其实现的生理基础是大脑活动时在大脑皮层或头皮中可以观察到的节律性放电活动。然而，这种放电活动并不是由一两个神经元完成的，而是一种“宏观”的放电现象：神经元簇自发的、节律性的电活动。简单来说，就是人在做不同的事情时，会释放出不同的“电”。当你醒着的时候是阿尔法波，当你睡觉的时候是德尔塔波，当你约会时被幸福的闪电击中时是贝塔波。当然，脑电波很弱，很容易受到干扰。皱眉（肌电干扰）、眨眼睛（眼电干扰）、打喷嚏、放屁等都会造成干扰。外部环境、实验设备等引起的工频干扰和噪声干扰也不容忽视。因此，必须使用特殊的脑电图记录仪和附着在头皮上的电极来测量清晰的脑电波。

图32 脑电电极对应图

图33 10-20国际体系电极放置方法

此外，同步脑电波节律的形成还与位于大脑深处的一个重要的小区域——皮质丘脑非特异性投射系统的活动有关。简单来说，如果丘脑出了问题，那么大脑就会开始随机放电。随意放电显然是不好的。综上所述，脑电波属于脑科学的基础理论研究。脑电波监测也广泛应用于临床实践。当然，它还包括BCI应用，以提高瘫痪患者或失去行动能力的残疾人独立移动的能力。中间。

图34 皮质丘脑非特异性投射系统

图35 脑电信号检测

脑电波是一些自发的、有节律的神经电活动。它们的频率范围为每秒1 至30 次。它们可分为四个频段，即（1-3Hz）和（4-7Hz）。（8-13Hz），（14-30Hz）。另外，当你清醒并专注于某件事时，你经常可以看到频率比波更高的伽马波（gamma，发音为gamma）。其频率为30~80Hz，幅度范围可变；睡眠时还可能存在其他具有特殊波形的正常脑电波，如驼峰波、波、波、复合波、波等。

图36 脑电图各波段

图37 第四代数字脑电图仪

德尔塔波（delta，读作delta）

频率为1~3Hz，幅度为20~200V。当一个人处于婴儿期或智力不成熟时，或者当一个成年人处于极度疲劳和困倦或处于麻醉状态时，该频带可以在颞叶和顶叶中记录下来。

西塔波（theta，发音为theta）频率为4~7Hz，幅度为5~20V。这种波在沮丧或抑郁的成年人以及精神病患者中尤其明显。但这个波是青少年（10-17岁）脑电图中的主要成分。

波（，读作）的频率为8~13Hz（平均为10Hz），振幅为20~100V。它是正常人脑电波的基本节律。如果没有外界刺激，它的频率是相当恒定的。当一个人清醒、安静、闭上眼睛时，这种节奏最为明显。当他的眼睛睁开（受到光刺激）或受到其他刺激时，波立即消失。

贝塔波（，读作）频率为14~30Hz，振幅为100~150V。当人们紧张、情绪激动或激动时，就会出现这种波。当人从噩梦中醒来时，原来的慢波节奏可以立即被这种节奏所取代。

脑电图是人脑在自然状态下产生的自发电位，广泛应用于神经科学、认知科学、认知心理学和心理生理学研究。脑电图具有较高的时间分辨率，可以检测毫秒级的电位变化，但其空间分辨率相对较差。在此基础上通过特定技术手段诱发的ERP（事件相关电位）和SSVEP（稳态诱发电位）是非植入式脑机接口中常用的几种脑电模式。

目前常见的EEG-BCI系统主要包括：P300、运动想象（MI）和稳态视觉诱发电位（SSVEP）。事实上，上述EEG模式并不是单独用作大脑信号源，而是组合使用，甚至包括一些非EGG信号，例如肌电信号（EMG）和眼电信号（EOG）。这种组合BCI系统可以称为混合BCI（Hybrid-BCI），例如神经智能假肢系统。

图38 P300是事件（如听觉、视觉刺激）发生后约300ms出现的正波。

图39 运动想象MI—BCI

图40 MI-BCI

图41 SSVEP-BCI 和混合-BCI (Hybrid-BCI)

第一个非植入式脑机接口系统

“这些可观察到的脑电信号是否可以作为人机通信中的信息载体，或者用于控制假肢设备或航天器等外部设备？” ——雅克·维达尔

了解了脑电图之后，我们再回来仔细看看Vidal 教授创建的第一个非植入式BCI 系统是什么样子的。看！就是这样。

图42 Vidal教授创建的第一个非植入式BCI系统怎么样？你有没有感觉有点头晕？反正我第一眼看到的时候脑子就短路了0.3秒！然而，仔细想一想，在20世纪70年代，计算机技术刚刚起步，生物研究方法和方法还比较落后，很难从脑电图这种带有大量噪音的微弱大脑神经信号中提取出有价值的东西。和干扰。东来只能这样做“暴力”造型。

我们简单看一下图片。这个BCI系统从左到右大致分为实验室、控制区、计算机区。基本原理是通过提取从头皮记录的位于视觉皮层上方的视觉诱发电位（VEP）来确定眼睛注视的方向（视觉注视点），从而确定受试者想要移动光标的方向，然后控制光标。在二维迷宫中“上、下、左、右”移动。看看左下角的对象，他的头上插着三颗“钉子”。他似乎“平静地”靠在实验室的椅子上，盯着屏幕，屏幕上出现了故障，就像雪花一样。当然，这个屏幕并没有什么问题，但它是在给受试者提供特殊的视觉刺激，以诱发实验者所需要的视觉诱发电位（VEP）。

图43 确定脑电信号采集点

图44 用于刺激受试者的刺激目标。用户看到一个用氙气发光的菱形红色棋盘。通过关注闪烁棋盘的不同角，他们可以生成上、下、左、右命令，使他们能够在图形终端上呈现的迷宫中移动。

我们来看看中间控制区密密麻麻的形状各异的设备。这些设备的功能如果我们看下图可能会更加清楚。

图45 中间的控制区怎么样？你明白吗？没错，无论是脑电信号的输入、反馈和输出，还是数据的处理以及各种实验设备的同步，都需要它的控制来协调。图42最右部分主要是数据存储和计算。 IBM360主机负责数据数字化，XDS-Sigma7计算机控制实验事件。

受试者首先提供数据来训练线性判别函数，然后实时在线导航迷宫。因此，本实验采用信号处理技术，以最小平均值实现脑电图的实时分析。鉴于数据量巨大，系统采用了当时国际上最先进的存储计算系统。毫无疑问，这种非植入式脑机接口系统相当昂贵。以下是原文的摘录，方便大家感受。

“通过一个专门设计的屏蔽外壳对受试者进行监控，其中包含各种输入设备和输出监视器。实验者坐在相邻的房间里，其中包含各种计算机的控制终端，以及脑电图和其他生物信号记录设备。这种安排允许用于受试者、实验者和计算机之间的交互，以执行复杂的任务并向受试者带来反馈信息。”

图46迷宫图（实时事件相关电位，即ERP分类实验迷宫反馈显示），受试者利用脑电信号移动图中的三角形，玩迷宫游戏。

尽管维达尔教授开发的第一个非植入式脑机接口系统看起来极其复杂，但实现该系统所采用的神经生物学范式仍然是华盛顿大学菲茨教授在上一篇文章中使用的操作性条件反射。范例。在维达尔教授的开创性论文中，它被称为“操作性条件神经事件（OCNE）”。使用这种类型的范例将在行为（外周）事件和选定的神经电位之间建立可靠且稳定的对应关系。关于“神经事件操作性调节的新作用”，维达尔教授“提出了第四种功能：即作为控制外部过程的手段，例如计算机或假肢装置。”

图47 闭环“双向脑机接口”（BBCI） 在本文的结论部分，Vidal 教授总结了他提出的“BCI”概念的可行性。他写道，“传播（基于脑电图的人机通信）概念的可行性取决于三个基本假设。”

第一个假设是，从头皮记录的脑电图可以在一定程度上检测到人类的意识活动。

第二个假设是，可以分析上述有意义的脑电信号以提取某种意图或指令（意义）。

第三个假设是操作反射范式可以使实验所需的脑电信息更加可靠和稳定。

最后，维达尔教授预测，“正如读者毫无疑问意识到的那样，直接的脑机通信仍然有一些希望。即使是本文中概述的相对温和的实验项目也可能需要几年的时间才能成熟，届时可能会出现新的方向。”

图48 电影《Total Recall》中的脑机融合场景

图49 电影《黑客帝国》中后脑插管场景

许多年后（2011年），在格拉茨大学（奥地利第二古老的大学）的一间教室里，一位带着浓重法国口音的老科学家结束了题为《BCI》的演讲，他在演讲中说道：“（BCI）已经取得了相当大的进展，但进展缓慢，而且仍然是一个有待探索的领域，令人欣慰的是，如此多的实验室在不同的地方蓬勃发展，这让我们充满希望，希望能够出现一些真正有价值的东西。很快。”这位科学家就是来自加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔教授。

图50 Jacques J. Vidal（左一）

d his wife, at the 5th International BCI Conference 2011 (Graz).