全球首个“双环路”无创脑机接口：如何做到脑电信号解码速度提升216倍？

脑机接口（Brain-Computer Interface，简称 BCI）是一种能够在大脑与外部设备之间建立直接信息交流通道的技术。其核心原理是通过电极（侵入式或非侵入式）记录大脑活动，利用信号处理算法将神经信号转化为可执行的指令。通过脑机接口，人类或动物不需要通过语言或动作，直接用大脑就可以控制机器设备。

传统脑机接口的自适应解码器缺乏大脑主动参与，且脑电信号采集的通道数急剧增长，解码算法也变得更加复杂，为脑电高效实时处理带来巨大挑战。

近日，由天津大学脑机海河实验室和清华大学集成电路学院合作发布的全球首个“双环路”无创脑机接口系统，把脑与机的信息交互，进行了智能融合，实现了“1+1>2”的效果，其脑电信号解码速度提升216倍，能耗降低至原本的1/1643，并可以实现对无人机的灵活“脑控”。

协同演进脑机接口框架

2月17日，相关成果的论文在线发表于国际权威期刊《自然·电子》。论文标题为《基于忆阻器自适应神经形态解码器的脑机接口》（A memristor-based adaptive neuromorphic decoder for brain-computer interfaces）。

2月19日，该论文的通讯作者之一、天津大学许敏鹏教授向澎湃科技表示，“双环路脑机协同演进框架”的提出，不仅带来了理论上的创新，更在系统性能方面实现了突破。许敏鹏解释说，在系统中引入了忆阻器，使解码速度提升很多，归一化解码速度提高百倍以上，能耗降低至千分之一以下；功耗降低很多，可以长时间进行脑机交互。“忆阻器的基本原理就是模拟大脑神经元的放电过程。”在连续6小时的长时程脑机交互实验中，“双环路”脑机接口的准确率提升约20%，打破了传统脑机接口实验时长一般控制在1个小时的限制。

对于“脑控”时长上的差异，许敏鹏表示，传统的脑接口研究，一般都是短时长研究。“因为我们的大脑是一个非线性系统，它的脑电波一直都在变化。这种变化的脑电波会对我脑机的解码带来负面影响，让它的正确率下降，导致没有办法做长时间的脑机交互。但我们是做了6个小时的脑机交互实验。我们通过‘双环路’机制，让整个脑机接口的系统性能不随时间的推移而下降，反而提升了。”

许敏鹏表示，因为无人机操控应该是目前脑机接口控制任务中难度最大的任务，所以这次他们选择了使用脑机接口对无人机进行操控来进行检测。

无人机的自由度非常高，精度也非常高，而且实时响应。“我们的脑机接口能实现4个自由度的连续操控，而且能完成一些相对复杂的任务。其他的，基本上都只是两个自由度的操控。”

（a）脑-忆阻器交互式更新框架;（b）基于忆阻器脑电解码的实时脑控无人机飞行。

许敏鹏展望，未来5-10年内，脑机接口系统有望在医疗领域推动视健康诊断、偏瘫康复、人工耳蜗调试等应用落地，并在消费电子领域催生意念操控、脑健康监测等新场景。

针对无创设备长期佩戴的安全性争议，许敏鹏教授则以“学习骑自行车”类比解释：“长期佩戴这类设备，确实会对大脑活动产生影响，但并非一定是不良影响。以学骑自行车为例，从最初的手忙脚乱到轻松驾驭，大脑的神经网络必然经历了重构。这就是学习带来的改变，是大脑习得新技能的过程，也是自身优化升级的过程。”

天津大学许敏鹏教授（中）。