腦機接口︰喚起神經康復的新希望——記北京清華大學生物醫學工程系腦機接口研究團隊

上世紀80—90年代，生物醫學信號處理技術在探測心臟功能方面大顯神通，很多創新成果進入臨床應用。到了90年代後期，北京清華大學生物醫學工程系楊福生教授、高上凱教授帶領的研究團隊把目光轉向了大腦信號的研究，作為博士生的洪波，也正是在那個時候開始了對大腦奧秘的探索。2001年，洪波以一種腦電分析的新方法獲得生物醫學工程博士學位，後留校任教。2004年，洪波作為青年學術骨幹被清華大學派往在神經科學領域享有盛譽的美國約翰霍普金斯大學作訪問學者，由於科研合作需要常常去霍普金斯醫院。在那里的癲癇治療中心，洪波第一次看到了研究者如何通過植入電極，獲取和分析大腦的神經活動，用以幫助神經疾病的診斷和手術規劃。作為一名生物醫學工程的學者，洪波由此感受到了信號分析等工程方法在神經科學和神經疾病診治中的應用價值。


清華大學的一項研究表明，人們通過想像可以控制機器人進行足球比賽。匪夷所思？卻又千真萬確。對清華大學生物醫學工程系洪波副教授和他們的腦機接口研究團隊來說，這樣的事情早已經見怪不怪。

上世紀80—90年代，美國和歐洲有學者開始進行殘疾人腦電交互系統的研究。意圖通過結合神經科學、微電子和計算機信息處理等，直接提取大腦的神經活動，實時翻譯成控制命令，來控制假肢、計算機鼠標、鍵盤、家用電器等，幫助那些肢體殘疾、脊髓損傷、中風、肌萎縮側索硬化，以及其他神經肌肉退化的病人，改善他們的生活質量。而在地球的這一邊，清華大學的實驗室里，不斷創新的信號處理技術把大腦的奧秘一點點展現在研究團隊的面前，用腦電信號來解讀思維、控制計算機的想法也進入他們的頭腦。當時高上凱教授在領導完成一個檢測飛行員在超重訓練時的大腦反應的項目，大腦視覺區域的節律性腦電給了他們啟發︰能不能用這種節律性腦電來判斷人的想法呢？如果成功了，豈不是可以讓大腦和計算機對話？

腦機接口數據競賽的啟示

從美國回國後，洪波和高上凱教授一起組織召開了中國第一次神經工程國際會議——IEEE生物醫學工程年會神經工程前沿論壇，隨後，又緊鑼密鼓地籌建了清華－約翰霍普金斯聯合研究中心，邀請國際知名學者定期來清華講學訪問。洪波堅定地認為︰要想在科研工作中作出一番成績，不但需要有超越的目標和決心，更需要國際視野和一個有活力、專注創新和合作的團隊。

在研究腦機接口的過程中，2005年發生的一件事情給了洪波很大的觸動。當時歐美一些著名的腦—機接口研究小組發起組織了腦—機接口數據競賽，參賽者需要完成的是對離線數據的分析。其中在2005年那場競賽中，清華大學腦機接口離線數據分析在7個題目中一舉拿下了三個第一和兩個第二，超過了美國麻省理工大學、斯坦福大學等世界知名大學的團隊。然而這樣的喜訊卻沒能讓洪波高興起來，因為後來的頒獎晚宴讓他感受到了一種微妙的“不屑”氛圍，“那些國際頂尖的學者們覺得，我們雖然拿了離線數據分析競賽的第一，能解題，但在這個領域卻提不出新問題。”

這次競賽領獎回來後，洪波和他的同事們暗下決心，一定要作出自己的一套系統，讓那些國際同行們看看︰中國人不但能在腦機接口領域解難題，也能在這個領域作出完全創新的研究。

成功實現首個純聽覺腦機接口

2006年到2008年，清華大學腦機接口研究團隊從一間簡陋的地下實驗室開始埋頭苦幹，在一次次的失敗與改進後成功開發出基於聽覺目標辨識的新型腦機接口技術、基於視覺運動起始的新型腦機接口技術、采用偽隨機編碼技術的高速視覺腦機接口技術等創新性的腦機接口新方法，並讓人腦通過思維控制機器人踢足球成為現實。其中，基於聽覺認知強化的新型腦機接口技術首創采用聽覺認知腦電成分進行腦機交互，成為世界上首個成功實現的純聽覺腦機接口，將能夠幫助像物理學家史蒂芬•霍金這樣的“漸凍人”通過聽覺腦電活動來表達自己的思想，與外界溝通。這項工作作為封面文章發表在美國《IEEE神經系統與康復工程匯刊》上。在2010年的全球腦機接口大獎賽（BCI Award）中，清華大學團隊的三項創新技術全部入圍世界前十。

“人的大腦約有1千億個神經細胞，時刻都在接受著來自外界和自身的刺激，這些刺激使得大腦皮層中一些區域的細胞活動增強，形成幾十毫伏的放電脈沖，但這些電脈沖傳到頭皮表面就只有幾十微伏的大小，非常微弱。”洪波說，“就像在一個龐大而嘈雜的體育場外試圖听到體育場內每個人的說話，這是非常困難的。”

美國一些研究團隊的解決辦法是把微電極植入大腦皮層中，探測神經細胞的放電，從而實現腦機交互。但這是一種有創技術。清華大學的團隊則專注於無創腦機接口的研究，只要帶上電極帽，就能解讀簡單思維活動。由於大腦活動時頭皮產生的電壓只有常用乾電池的百萬分之一，信號非常弱，加之外界的信號干擾，使得采集腦電信號成為一個棘手問題。科學家利用微弱信號放大裝置探測神經細胞的活動，這樣得到的腦電是很多神經細胞活動的總和，只有通過復雜的統計、挖掘、分類算法，才能探索出腦電數據中承載的思維內容。

而清華大學研制的腦機接口的先進之處在於，只需用比較少的電極，通過優化的信號處理方法進行處理後，就能快速正確地識別出不同思維活動的腦電信號，進而實現實時的腦機交互和控制。

期待大樣本殘疾人參與測試

在清華腦機接口實驗室，志願者戴上只有3—5個電極的電極帽，從若干類似“感覺熱”“想喝水”“要坐起”等簡單思維活動中隨機選擇一個，計算機可以很快判斷出志願者的意願。如果將計算機的判斷作為控制命令傳給空調或機器人，就可以讓空調自動調節溫度，讓機器人端茶送水，讓智能病床自動搖起，真正實現腦機互動。

由於清華大學團隊在腦機接口研究中的突出表現，2010年6月，洪波作為亞洲唯一的代表應邀在美國國立健康研究院神經界面年會的腦機接口專題討論會上做報告。

“和2005年那次開會的感覺完全不一樣，現在站在國際同行面前做報告，覺得自己底氣很足。”回憶往事，洪波很感慨，“面對壓力和偏見時，要找到突破口，變被動為主動，這樣才能贏得國際聲譽，引領研究前沿。”

2010年11月，由清華大學承辦的“首屆中國腦—機接口比賽”在北京舉行，為推動我國腦—機接口研究走向實用化邁出重要一步。提及腦機接口技術的實用化，個體差異是面臨的最大難題。快速有效的個體參數定制顯得至關重要。在國家“十一五”科技支撐項目的資助下，洪波帶領研究團隊系統研究了電極位置、頻帶範圍、諧波加權系數等關鍵參數，形成了最快4分鐘的優化流程，使得人腦與機器交互時更為流暢，完成了腦控家居環境系統和腦控鍵盤鼠標等腦機接口樣機，獲得業內專家的一致好評。盡管如此，洪波坦言︰“腦機接口技術的實用化仍然面臨著障礙，一方面尚需大樣本的殘疾人進行測試，另一方面，腦電電極的接觸方式還有待進一步改進。”

憧憬未來，清華研究團隊信心滿滿。一個由三位博士組成的核心團隊已經從他們的實驗室中走出來，將在清華科技園和常州科教城的支持下，讓“十一五”腦機接口的成果真正邁出產業化的腳步。

科技日報 2011/06/23 羅朝淑

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北京清華大學神經工程研究所