脑机接口硕士论文

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书名：脑机穿越

作者：（巴西）米格尔•尼科莱利斯（Miguel A. Nicolelis）著

译者：黄珏苹

豆瓣评分：8.2

出版社：浙江人民出版社

出版年份：2015-3

页数：286

内容简介：

 《脑机穿越》讲述了“人机融合”的未来，即“脑机接口时代”即将到来！在未来科技的驱动下，科幻大片的场景已逐渐走入现实。人类通过思维控制人造工具，如今听起来无法想象的事情，在未来会成为常态。从海洋深处到超新星禁区，甚至到我们体内细胞空间的微小裂缝，人类的触及范围最终将追上我们探索未知领域的野心。

 《脑机穿越》也是“脑机接口”的简要发展史。作者尼科莱利从脑机接口对传统神经科学的颠覆，到早期的“信息输出”，即机器如何读取大脑信息；再到现在科学家苦心钻研的“信息输入”问题，即反馈信号如何作用于大脑……为我们描绘了一幅人类未来新图景！

 在未来，随着脑机接口技术的不断完善，很多渐冻人患者、严重瘫痪患者也将从中受益。脑机接口有望让这些病患重新恢复功能性运动，重新学会行走。同时，脑机接口并不只局限在医疗康复领域，作者正在进行的“大脑校园”项目将是多学科合作的典范，它将提升人们的教育、健康及生活标准。甚至，我们能进入祖先的记忆库，下载他的思想，通过他最私密的感情和最生动的记忆，创造一次你们原本永远都不可能经历的邂逅……对于脑机接口将为人类带来怎样的未来生活，这些仅是窥豹一斑。

作者简介：

 世界顶级科研机构巴西埃德蒙与莉莉•萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人，美国杜克大学神经工程研究中心创始人，现任杜克大学医学院神经生物学教授。

 法国科学院院士、巴西科学院院士，常在《自然》 《科学》等国际一流学术期刊上发表论文。2004年被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一，其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。

 2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者。

如果这次研究芯片成功的话，对于国产芯片是一个重大的进步，会改变很多国产的行业，对于国外的芯片制造有较大影响。

脑机接口可以实现很多之前想不到的功能，比如利用人脑和机脑的交互，在健康领域脑机接口技术可以提供强化和恢复两方面的辅助。国内的博睿康公司植根健康领域，通过脑机接口为人类健康提供方案，感觉后者的应用更广泛，也更人性化。

对于现在的科学技术来说，脑机接口可能会用于一些特殊人群的来解决生活实际问题的用处应用的，比如说肢体不便的人群，他要做一些活动，做一些事情来最大可能的来进行自理，要用到这方面的功能。

题主的顾虑是没有必要的

我个人觉得这个研究对于芯片业肯定是有非常大的帮助的，因为我觉得这种脑机芯片是非常有利于占领市场的。

复旦大学类脑芯片与智能片上系统研究所发表的无线脑机接口芯片设计论文荣获最佳学生论文奖。在实验室里，几只戴着电极帽的老鼠游动自如。同时，实验人员的电脑同步显示彩色波段，鼠大脑发出的极微弱的脑电图信号，这些信号被完全记录下来，所有这一切在于电极盖上芯片。

复旦大学全无线入侵64通道脑机接口芯片模块项目参加第八届中国国际技术进出口博览会。在上海世博会十大热门项目中，认知大脑被誉为生命科学的最后前沿。脑电信号的采集与分析是研究大脑的重要手段，而脑机接口芯片是相关科研仪器的核心部件。在过去的几十年里，中国已经成为一个世界工厂，在技术应用方面处于世界领先地位。但我国在底层核心技术的研究，包括材料、制造装备等领域，与国外仍有差距，原始创新能力不足。

信息时代硅基半导体芯片性能持续飞速提升，世界范围的网络化、数字化和智能化打造了坚实的硬件基础。回顾我国在芯片研发领域的成长，一路走来确实是十分不易的。随着芯片制造工艺在纳米尺度逐渐逼近物理极限，碳基纳米材料具备独特的电学、力学和光学特性，同等工艺水平下制作的碳基芯片，在性能和功耗方面都将比硅基芯片有明显改善。

随着移动终端的发展，PC终端正在衰落。由于我国起步较晚，世界上许多关键技术阻碍了我国的技术进步，要想赶上国际先进水平是一个巨大的挑战。如果能开发出更快的芯片，更快的计算能力将成为现实。这不仅可以促进芯片产业的进步，也可以促进人工智能和认知计算的发展。虽然目前的石墨烯技术还存在不足，但在未来，这项技术可能会给芯片及相关产业带来革命性的变革。

通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界，只需一个意念我们就能改变“现实”。学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，也不需要再花费大量时间，只需直接将知识传输到大脑当中即可。

以上就是1999年的经典科幻电影《黑客帝国》为我们描绘的科幻画面。而这看起来天马行空的幻想，却是基于早已有之的“脑机接口”技术的的合理设想。或许，科技的加持终将让科幻走向现实。

目前的“脑机接口”主要分为植入式和非植入式两大类，植入式和非植入式两种方式都各有优劣。植入式更精确，可以编码更复杂的命令，比如三维运动，但手术创伤不可避免；非植入式电极这种头皮贴片虽然方便，无需开颅植入，但是能探测到的脑电信号范围和精确度有限。

“脑机接口”作为前沿科技研究的热点技术，一直颇受业界关注。SpaceX及特斯拉创始人马斯克更是于2017年成立脑机接口公司Neuralink。2019年中旬，马斯克和他的Neuralink团队展示了他们“新颖”的向大脑植入电极的方式，并宣布他们将要进一步开发脑机接口的计划。可以说，脑机接口不断在科技界掀起轩然大波。那么，从《黑客帝国》开始，我们离脑机接口实用化还有多远？

脑机接口是怎么出现的？

要知道，脑机接口本质上是一种全新的信息沟通与交互界面，而要理解信息沟通的本质，那就需要理解我们的语言。

语言是人类大脑高级认知活动的产物，正如纽约大学心理学和神经科学教授大卫·珀佩尔在《科学》杂志子刊《科学进展》（Science Advances)的论文中所说“语言就是声波如何把信息塞入你的脑子里”。

当我们听人讲话的时候，耳朵将声波转化为神经信号。这些信号会被不同的脑区处理和翻译，最先处理的脑区是听觉皮层。多年的神经生理学研究结果显示，听觉皮层的脑电波会对应声波的强弱变化的频率，将听觉信号分节并锁定。基本上就是说，脑电波像冲浪者般在声波里起伏，大脑很可能是通过声波的强弱变化来区分音节，辨识语义，从而将长串的语言信息分节装载，转化为便于处理的小块信息。

然而，人类语言并不是一蹴而就，而是经历了漫长的演化。从神经肽、神经元到神经网；从神经节，到几个神经节融合在一起形成脑，最终形成原始大脑。从掌管身体器官并且精细分工的爬行脑出现，到能够处理爱、愤怒和恐惧等复杂情感的边缘系统的出现，再到能够理性思考的新皮层的出现。可以说，神经系统经历了从无到有，从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。

人类大脑新皮层擅长思考，尤其擅长抽象思考，并能对事物的本质属性进行归纳和演绎。就在大约10万年前，人类掌握了一项突破性的工具，就是能够用一种特定的抽象声音来指代某个具体事物。

比如“石头”这个词的发音并不是石头本身，而是通过发音来指代石头这个物体的代表符号。就这样，原始的语言诞生了。很快，世界上各种各样的事物都有了相应名称。到了公元前5万年，人类已经能够完整使用复杂的语言进行交流。从此，语言不仅能把人类大脑中各种奇妙的想法转换成一系列的声音符号，而且通过空气振动将它们传递到其他人的大脑中，并能让他人理解。

人类语言的出现，不仅给世界上万事万物都打上了符号标签，还产生了一个极其重要的功能，就是让人们能够学习自己没有亲身经历过的事情，并以此形成间接经验。由此，人类种族的生存能力大大提升。

正因为语言的学习，使得经验与智慧一代代传承，不断累积到部落的知识库中，而后代则可以在祖先的智慧上继续探索。就这样，语言赋予部落强大的集体智慧，同时每个人也能从集体智慧中获益。随着知识的不断积累，生产力不断提升，劳动生产率逐步提高，人类进入城市时代。

随着人类文明的演化，科技也在历史中不断更新，大量的知识储备为人类工业革命创造了条件。如今，我们已经进入信息技术高速发展的时代，而人工智能技术的不断突破使人类发现自己在学习能力方面越来越不及人工智能，无法从海量的知识中快速获取知识。

而这种缺陷正是曾经为人类文明作出杰出贡献的语言所造成的。这是因为人类的语言天生就有两方面缺陷：一是精度低；二是效率低。

从语言的精度角度来说，无论人类的哪一种语言，其精度都是相当低的。语言的社会性和模糊性导致了人和人之间沟通的低准确性，人们因此会耗费大量的时间在沟通上。在人与人的沟通过程中，信息被大量损耗。从语言的效率角度看，我们无法像计算机一样快速地将客观信息输入大脑，而在靠语言和文字所进行传播的时候，速度确实非常慢。

而当我们进入一个全新的数字时代时，人类的弱点和局限性就开始被放大了。时代车轮滚滚向前，历史发展的内在需求推动着技术的进步与发展，终于迎来了脑机接口的登场。

脑机接口的发展协同脑科学的进步

想要了解脑机接口的基础，首先要明确几个相关的概念。

脑机接口（Brain-computer Interface或者Brain-machine Interface）：通过传感器提取头皮上、大脑皮层上电场或磁场等信号、参数，进而进行数据提取、分类和分析，最终控制体外设备对人体周边环境进行增强或改善的人机交互装置。

中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）：由大脑和脊髓组成，是人体运动的命令源也是脑机-接口主要分析目标。

脑电波（Electroencephalogram, EEG）：与大脑皮层神经元活跃度密切相关，大部分学者认为其主要组成部分是神经元突触后电位。脑电波是脑-机接口的主要信号来源之一。

分形维数（Fractal Dimension, FD）：来源于分形理论，可以用于分析数据的复杂性。是现代科学用于分析混沌动力学系统和非线性信号的工具之一。

人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）：一种基于大规模计算训练从而多层次地提取目标特征值的数学模型。ANN常被应用于数据分析。

脑机接口的发展和脑科学的进步密切相关。大脑属于中枢神经系统，其包含了大约870亿个神经元。大脑时时刻刻接受来自视神经、听觉神经以及周围神经系统（Peripheral Nervous System）传送过来的信号。大脑将这些信号进行解析，并产生感觉，进而对外在环境做出反应形成运动信号。运动信号再通过脊髓传达到周围神经系统，进而控制肌肉控制人的身体，做出复杂（高级）运动行为（比如弹钢琴，弹吉他等）。