清华大学张丹：脑机接口技术开启人机交互新时代！

进入2023年，脑机接口概念突然爆火。作为未来产业的重要分支，这项新兴技术正在成为全球科技竞争的制高点和全球经济发展的新引擎。

近日，由全球领先的数学计算软件开发商MathWorks主办的2023 MATLAB EXPO中国用户大会（北京站）在北京新云南皇冠假日酒店隆重举行。来自MathWorks、清华大学、复旦大学、中讯邮电咨询设计院等多位专家学者、企业代表和业界精英出席了本次大会，并围绕前沿技术和科技创新发表了精彩演讲。

作为本次大会的重磅嘉宾之一，清华大学心理学系副教授、清华大学脑与智能实验室兼职研究员张丹带来了题为《脑机接口：解码思维的力量》的主旨演讲，以视觉脑机接口、情感脑机接口为例，介绍了美国MathWorks公司出品的商业数学软件MATLAB^®是如何支持相关研究工作及应用的，以及如何支持高校脑机接口课程的教学与学生竞赛的工作，从而为人工智能和脑机接口产业未来发展“把脉定向”。

大会当天，21ic有幸采访了张丹教授，并围绕脑机接口的实际应用与创新成果等话题进行了深入交流。

▲清华大学心理学系副教授、清华大学脑与智能实验室兼职研究员张丹

说起脑机接口，相信大多数人最早接触这一学术概念的时候，应该都是在科幻电影里，像《源代码》、《黑客帝国》、《阿凡达》以及《流浪地球2》中都有出现过类似的技术场景。

通俗地讲，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）也称作“大脑端口”或者“脑机融合感知”，是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。作为一种新型的智能交互方式，脑机接口不依赖于大脑的正常输出通路，即“大脑→中枢神经系统→外周神经→骨骼肌”这种层层控制，就能实现人与外界机器设备的直接信息交互，从而让“思想”变成“行动”。

据张丹教授介绍，目前脑机接口技术可分为侵入式和非侵入式两大类。其中，侵入式脑机接口是指在大脑中植入电极或芯片，该方法虽然可以精准地监测到单个神经元的放电活动，但开颅手术具有较大风险；非侵入式脑机接口是指通过穿戴设备，比如头戴式的脑电帽，直接从大脑外部采集大脑信号，虽然这种方法更为便捷，但信号分辨率相对较低。

张丹教授指出，脑机接口之所以可以读取大脑活动，主要依赖三大关键技术：一是精准时间的视觉信息呈现，即可以直接而精准地在屏幕上观测毫秒级的快速神经活动；二是脑机接口解码算法，这是脑机接口数据分析最主流工具包，可以深度融合信号处理、机器学习方法；三是实时数据处理与解码，也可以说是破译大脑信息，对人的内在意识、情感进行解读。

从介绍中，我们不难看出，脑机接口研究涉及脑神经数据机器学习算法、交互界面设计、实时数据处理等多个技术领域，因此需要软件层、硬件层、架构层等多方产业基础被夯实之后才能实现。

▲脑机接口示意图

事实上，脑机接口这一概念最早由1973年美国科学家雅克·维达尔首次提出。虽然人类用大脑控制设备的想法已经由来已久，但直到最近几年，这项颠覆性技术才开始显示出实际潜力。

目前，脑机接口技术可以应用于医学、教育、军事、工业、娱乐等多种领域。比如，在医学上，可以帮助残疾患者控制假肢，使他们重获运动能力；在教育上，可以帮助学生进行一些认知训练、反应训练等，从而提高学习效果；在娱乐上，可以作为游戏和虚拟现实设备的控制器，通过思维进入游戏或虚拟世界，使沉浸感更强……不过，张丹教授认为，医疗临床应用才是脑机接口技术的未来主流方向。

“面向医疗，凡是跟大脑疾病相关的，比如渐冻症、癫痫病等患者，都可以将其归之于脑机接口这项技术的潜在应用方向之内。除了治疗脑部疾病，还有一种情绪的脑机接口，也就是被动脑机接口，可以应用于心理学研究。”张丹教授解释说，传统的心理测评主要依赖于问卷、自我报告，或者咨询师的访谈，这些对于受访者的教育程度、配合程度等都有很高的要求，所以适用性存在较大局限。我们希望能够建立一些更客观的心理测评方案，可以开辟更广阔的应用前景。如果将脑机接口与人的心理测评相结合，则可以对心理学的发展提供更多科学的支撑。

在谈及研究现状和发展动态时，张丹教授表示，脑机接口被认为是实现新一代人机交互和人机混合智能的颠覆性技术，当前美国、日本、欧盟等国家和地区都在积极布局，推出了许多针对脑机接口技术的重大研发计划及投资项目。不过，各国的关注点各有侧重。比如，美国更关注脑机接口如何促进更高效的功能实现，欧洲各个国家更关注脑机和人文关怀，而中国在这两方面都有所涉及。

据了解，我国早于“十三五”期间就启动了“中国脑计划”，并以“一体两翼”为发展战略，即以研究脑认知原理为“主体”，以研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”，重点支持类脑计算与脑机融合计算研发。在利好政策的推动下，北京、上海均已启动“脑科学与类脑智能”地区性计划，并分别成立了脑科学与类脑研究中心；同时，中国科学院成立了包含20家院所80余个精英实验室的脑科学和智能技术卓越创新中心；而各大高校也纷纷成立了类脑智能研究中心。

以清华大学为例，该校在脑机接口科研与教学、学生竞赛活动中使用了大量的MATLAB^®工具。该工具不仅拥有丰富的学界案例资源，还支持数据分析、算法开发和建模等多样化教学需求；同时，其易上手、可扩展性强，以及兼顾基础分析功能与前沿方法探索的特点，更是深受广大用户好评。从最基础的统计分析工具，到信号处理工具，再到机器学习/深度学习工具，MATLAB^®帮助研究人员推动先进医疗设备开发和工程化落地进程。

▲清华大学选择MATLAB^®用于科研与教学和学生竞赛活动

在产业界共同努力下，我国在脑机接口研究领域已经形成了独特优势，并且也展现出了广阔的应用前景。但从应用层面来看，目前的脑机接口产品距离商业化和大规模应用仍有一定的距离。

对此，张丹教授指出，脑机接口的技术瓶颈，主要体现在植入者的生物兼容性、信号处理抗干扰性，以及脑信号的解码、再编码等方面。“首先，在软硬件技术方面，脑机接口的本质是方便、快捷、有效地获取大脑信号，但侵入式脑机接口需要通过外科手术把信号接收器植入脑中，因此对植入者的生物兼容性要求很高；而非侵入式脑机接口则需要解决传感材料与对应的电学问题。其次，在应用端，脑机接口的信息是交互的，既要能读懂大脑信号（输出），又要能进行干预和治疗（输入），那么如何实现多类技术的融合，如何实现向人脑的输入，这些问题都需要进一步研究。”

▲深度学习工作流程

除此之外，脑机接口所带来的安全与伦理问题，一直以来也是社会关注的重点，比如黑客攻击、意念控制、数据窃取等隐私泄露风险存在。

那么，如何应对这类风险？张丹教授认为，应以政府引导为主，技术防御为辅，从政府角度建立监管措施，同时需要科学家和企业团队提供相应的技术支持和资料方案，帮助他们去做一些决策的参考。“光靠一方是很难完成这件事的，需要政府、科学家、企业三方密切合作，共同推进脑机接口领域的技术进步与产业发展。”作为跨学科交叉融合、并产生广泛社会影响的前沿技术，脑机接口的发展需要科研、产业、政策、监管等社会各个层面的关注与推进。

目前，无论国内还是国外，脑机接口技术在临床中仍属于试验阶段。虽然眼下脑机接口的应用仍然面临不少挑战，但总的来说，这项技术已经从实验室逐渐走近了现实。可以预见，随着“中国脑计划”的实施，未来脑机接口技术将在增强人类能力、改善健康和康复、提升生活质量等多个方面发挥更大作用。