為了無創(chuàng)讀取大腦內(nèi)部的神經(jīng)電信號(hào),人們想出了很多手段,下面繼續(xù)介紹其他非侵入式的腦機(jī)接口技術(shù)。
功能性核磁共振fMRI
由于神經(jīng)細(xì)胞本身并沒有儲(chǔ)存糖類或者氧,而神經(jīng)元放電必然消耗能量,因此血氧水平(blood oxygenlevel-dependent, 血氧依賴水平)可以間接反映神經(jīng)元活動(dòng)。給實(shí)驗(yàn)者播放影像,通過fMRI讀取血氧信號(hào),把已知的影像特征與血氧信號(hào)結(jié)合,從而通過機(jī)器學(xué)習(xí)得到模型,破解大腦的視覺原理,重建實(shí)驗(yàn)者看到的人臉,甚至還可以讀取夢(mèng)境。
fMRI的缺點(diǎn)在于血氧變化與神經(jīng)電信號(hào)并不同步,血氧信號(hào)的峰值一般比神經(jīng)活動(dòng)滯后6s左右。
通過血氧重建視覺的結(jié)果與原圖對(duì)比,來自理論物理學(xué)家和科普作家加來道雄的演講ppt,他表示MRI設(shè)備小型化的物理極限是手機(jī)尺寸。
功能性近紅外光腦成像fNIRS
功能性近紅外光腦成像(fNIRS),與剛才介紹的功能性磁共振成像(fMRI)類似,都是利用血流和血氧變化來測(cè)量大腦活動(dòng)。區(qū)別在于fMRI利用磁陣造影成像,而fNIRS則利用血管中血紅蛋白對(duì)于近紅外光的散射性變化:特定光源向用戶投射光線,由圖像傳感器通過光學(xué)窗口監(jiān)測(cè)血管的圖像數(shù)據(jù),血液顏色由于氧含量的變化產(chǎn)生改變。
與fMRI對(duì)比,fNIRS成本較低,比如日本日立高新技術(shù)的消費(fèi)級(jí)腦活動(dòng)檢測(cè)裝置預(yù)計(jì)價(jià)格1萬至1.5萬日元(約合人民幣507至760元),有望2016年產(chǎn)品化。但是fNIRS空間分辨率低。從腦活動(dòng)到血流變化存在5秒左右的時(shí)間延遲,因此其實(shí)時(shí)性比上篇提到的EEG要差。并且因?yàn)橐揽看竽X內(nèi)部的血流變化過程,難以檢測(cè)大腦瞬間的變化,因此時(shí)間分辨率也較低。
類似的原理也用在了Apple watch背部的傳感器,通過監(jiān)測(cè)血氧來推算心率,該功能尚未開放給應(yīng)用開發(fā)者。
類似的原理也用在了中科微光的投影式紅外血管成像儀,將皮下血管原位投影顯示在皮膚表面,幫助醫(yī)護(hù)人員識(shí)別患者皮下細(xì)微血管進(jìn)行精準(zhǔn)穿刺,比肉眼識(shí)別效果更好。
腦磁圖(MEG)
根據(jù)麥克斯韋方程,任何電流都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正交磁場(chǎng)。腦磁圖(Magnetoencephalography ,MEG)主要通過測(cè)繪腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞脈沖電流產(chǎn)生的生物磁場(chǎng),來間接推算大腦內(nèi)部的神經(jīng)電活動(dòng)。腦磁測(cè)量不容易受到介質(zhì)的影響,所以空間分辨率比EEG更高。但是因?yàn)槊舾卸雀?,容易受到環(huán)境干擾,所以需要嚴(yán)密的電磁場(chǎng)屏蔽室,并且設(shè)備昂貴笨重。
在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,MEG主要用于活動(dòng)時(shí)間測(cè)量。 MEG可以解決事件具有10毫秒或更高的時(shí)間精度,而功能性磁共振成像(fMRI)依賴于血流變化,時(shí)間分辨率最高只有幾百毫秒。
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非侵入式的幾種手段都存在各自的不足,因此需要多種技術(shù)配合,取長(zhǎng)補(bǔ)短:
2010年日本國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)技術(shù)研究所(ATR)和日本信息通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)開發(fā)出了通過非侵入式測(cè)量,連續(xù)推斷并再現(xiàn)用戶指尖動(dòng)作二維坐標(biāo)的腦機(jī)接口。具體為,將時(shí)間分辨能力高的腦磁(MEG)和空間分辨能力高的核磁共振(fMRI)結(jié)合。雖然在性能和實(shí)際效果方面達(dá)到了非侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域的頂尖水平,但是這兩種設(shè)備都有昂貴笨重的缺點(diǎn),因此為了實(shí)用化,也在開發(fā)使EEG和NIRS相結(jié)合也可利用此次的技術(shù)。
隨后2014年,日本國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)技術(shù)研究所(ATR)等聯(lián)合開發(fā)出了輔助老年人及殘疾人日常生活的低成本腦機(jī)接口,演示了通過腦機(jī)接口執(zhí)行開電視、開空調(diào)、開燈三種動(dòng)作。根據(jù)實(shí)時(shí)腦活動(dòng)判斷用戶意圖,準(zhǔn)確率達(dá)到84%。
該腦機(jī)接口以近紅外光腦成像(NIRS)為主,只用于操控家電。而腦電EEG輔助,只用于檢測(cè)用戶的不適感等情緒。與上面的技術(shù)方案相比效果嚴(yán)重縮水,最后的總體延遲時(shí)間為17秒左右,這樣的時(shí)間延遲,對(duì)于老年人和殘疾人還不如直接用語音識(shí)別控制。