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编者寄语

脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)旨在大脑与外部设备之间建立直接的、全新的信息沟通和控制通路,从而实现脑信息的读出与外部信息的输入。脑机接口技术通过采集脑电信号,分析、提取其中的特征信息,将其转化为控制外部设备的指令,实现对执行设备动作的控制,同时将外部设备的状态反馈至大脑,进而完成脑机信号的闭环交互。

脑接机口技术已成为全球科技前沿热点,在面向未来的科技创新发展中占有重要地位,全世界范围内如美国、中国等主要国家和地区都在积极推动相关技术研究和政策法规发布,加快脑机接口产业布局。作为一种新兴的人机交互技术,脑机接口产业化以及规模化应用将为人类生产生活方式带来颠覆性变革,其发展将成为未来影响世界经济周期的重要变量,以及影响未来世界经济格局的重要因素。

本专题聚焦脑机接口技术,涵盖基本原理、发展现状、面临挑战,以及在医疗康复、情感智能、人机融合等领域。

编委主任:苏金树 CCF会士 军事科学院教授

本期主编:郭    斌 CCF普适计算专委秘书长 西北工业大学教授

本期编委:赵    莎 CCF普适计算专委副秘书长 浙江大学计算机科学与技术学院研究员

从脑机接口到脑机融合

计算神经科学、微电子和神经生理学等领域的最新进展,显示出计算机和生命体之间的融合成为可能并日趋明显。以脑机接口为代表的神经技术的突破使得脑与计算机之间的结合越来越紧密,脑机融合及其一体化已成为未来计算技术发展的一个重要趋势。研究生物脑(生物智能)与机器脑(人工智能)深度融合并协同工作的新型混合智能系统,是当前人工智能与脑认知科学交叉领域面临的重要课题。本讲座将介绍脑机接口的基本原理与最新进展,并介绍新型人工智能形态――脑机融合的混合智能。

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情感脑机接口与情感智能

随着GPT和Sora的涌现,通用人工智能(AGI)已经得到了大家的重视,有人认为AGI将是未来十几年国际科技竞争的战略制高点。如果把人类智能看成是智商和情商的有机结合,那么对应AGI的情商就是情感智能。情感智能的研究目标是如何让机器具有识别、理解、表达和模拟人类情感的能力。情感脑机接口是一种对人的情绪进行识别和调控的人机交互系统,是目前实现情感智能的重要途径之一。本报告介绍情感脑机接口和情感智能的研究现状与面临的挑战。

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基于脑机接口的脑状态解码泛化研究

随着脑科学和人工智能等学科的飞速发展,脑机接口领域迎来了前所未有的机遇。基于脑机接口技术开展脑状态解码有望解决多种医疗难点,提供形式丰富多样的医疗手段。然而目前的脑状态解码模型仅在实验室中的特定环境下有较好的性能,提高模型在不同任务、不同被试和不同站点等多种新场景下的适应能力是脑机接口从实验室走向医疗应用的关键因素。本次报告将从跨任务、跨被试和跨站点这三个方面,分享提升基于脑机接口的脑状态解码模型泛化性的前沿进展,展望脑状态解码泛化赋能智慧医疗的未来发展方向。

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脑机接口范式设计、算法优化及应用研究

脑-机接口技术旨在人与计算机之间建立一条不依赖语言、运动的全新信息传输通道。这种技术可以有效帮助残疾人和语言障碍病人重获信息交互和运动控制能力,可以有效促进运动、意识障碍病人的神经功能重塑。本次报告将简要介绍包括视觉、听觉和触觉诱发脑机接口和运动想象脑机接口的范式设计,识别算法优化和康复、辅助应用等;面向智能假肢/机器人和康复医学领域,研究提高残疾人的生活质量和自主性的新型生活辅助技术,并开发康复性神经反馈训练系统,帮助康复患者恢复运动能力和生活自理能力。

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多模态脑机接口关键技术、临床应用及产业化

通过脑机接口,人脑和外部设备之间可以直接进行交互,从而实现脑智能和机器智能的融合,即混合智能。提高目标检测性能和实现多维控制是脑机接口研究的两大基本问题,也是脑机接口技术走向临床不可回避的问题。我们首先介绍多种多模态脑机交互方法,这些方法或者可以提高目标检测性能,或者可以实现多维控制。然后我们介绍这些脑机接口的临床应用:面向颈椎损伤高位截瘫病人,我们开发了环境控制系统,该系统集成轮椅、家电和护理床于一体,实现了脑控,有效提高了这些病人的生活自理能力;面向中风患者,我们开发了脑机接口上肢康复系统;面向意识障碍患者,我们开发了意识检测、辅助诊断、康复预测脑机接口系统,与临床行为量表相比,脑机接口方法及系统优势明显;面向心理健康水平的提升,我们开发了脑机接口情绪调节系统、专注力训练系统和正念冥想系统。最后,介绍这些脑机接口系统的产业化及应用情况。

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面向中风康复的感觉脑机接口研究

“中风导致运动功能丧失,同时也伴随着躯体感知觉障碍,感觉通道的脑机增强与恢复将会促进运动功能的康复。本次报告将回顾运动想象脑机接口在中风康复上的现状及运动想象解码所面临的挑战,在此基础上介绍我们在感觉脑机接口方面的研究,包括触觉感受与触觉想象脑机接口范式;最后针对康复过程中所面临的脑机低效问题,介绍我们在刺激增强范式方面的研究工作,通过体感的刺激实现想象运动信号及解码准确率的增强。感觉脑机接口将为中风康复提供新的训练和增强途径。

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本期编委成员