淺論腦機接口（BCI）連接虛擬現實系統

張青堯 蔣方遒

在腦機接口（BCI）連接虛擬現實系統中，使用者通過腦機接口（BCI）實現進入虛擬現實世界。腦機接口（BCI）直接與使用者大腦皮層連接，同時腦機接口與外部設備具有雙向交換功能，既可以通過腦機接口（BCI）將使用者的大腦皮層活動變化的腦電波轉換為電子信號傳入外部設備，也可以將外部的電子信號通過腦機接口（BCI）直接輸入大腦皮層，從而達到讓使用者獲得來自虛擬現實世界的感官刺激效果。本文將簡要講解該系統的結構。

一、總體結構

腦機接口（BCI）連接虛擬現實系統，由三個主要部分組成，分別為：用戶腦機接口（BCI）終端，中樞服務器（CS-CENTRAL SERVER），基站（BS-BASE STATION）信息傳輸裝置。使用該系統時，用戶佩戴非侵入式腦機接口設備，該設備將用戶腦電波轉換為電子信號即時傳輸到中樞服務器（CS）中，由中樞服務器（CS）自動做出分析與判斷，將來源用戶的要求信息打包，由基站（BS）做出相應的反饋信息，反饋信息由基站（BS）發送出去，輸入到來源用戶的連接腦機接口（BCI）外部設備中，并由腦機接口（BCI）終端轉換為腦電信號，輸送回大腦皮層。此時，用戶就能得到來源于中樞服務器（CS）虛擬現實數據庫的虛擬感官信息，進入虛擬現實世界。

由用戶腦機接口（BCI）終端、中樞服務器（CS）、基站（BS）信息傳輸裝置，這三種設備營造出的虛擬現實（VR-VIRTUAL REALITY）世界中，用戶大腦對接收到的各種刺激，做出相應的反饋活動，以達到逼近真實世界刺激的效果。此系統的結構示意圖如下圖：

二、腦機接口（BCI）終端設備

腦機接口（BCI）終端設備原理與顱磁刺激（TMS-TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION）技術原理類似，通過顱磁刺激（TMS）來感知大腦刺激部位神經異常的活動，并將這種異常興奮的活動信息輸出，同時對大腦輸出的腦電波信號進行分析整理，壓縮傳輸（雙向），經由無線線路無損地傳入總服務器。在信號返回時也必須反向重復上述環節。

由Gabriel Gonzalez-Escamilla等人的實驗，即結合腦電圖神經電上的指示恐懼類型興奮范式，對事件相關電位和顳下頜關節誘發電位進行分析。然后再進一步將興奮性調節模式與個體核磁共振成像衍生的恐懼網絡灰質結構完整性聯系起來，與無威脅相比，皮質興奮性增強，對威脅處理的能力更強，其表現為誘發電位振動幅度增加。此外，顱磁刺激（TMS）增強了威脅處理過程中的誘發反應，而背內側前額葉皮層和杏仁核的結構完整性預測了恐懼處理的興奮性調節模式。而人類腦部活動的其它情緒與此恐懼情緒相類似，所以理論上可通過顱磁刺激（TMS）技術為依托，最終實現該腦機接口（BCI）終端設備。

三、中樞服務器（CS）

中樞服務器（CS）負責整理、分析、傳輸來源于腦機接口（BCI）終端的信號，并從龐大的虛擬現實數據庫中篩選出有用信息，將這些相關信息壓縮打包，形成合適的電子信號，傳輸給用戶周圍的基站（BS）。中樞服務器（CS）是中央處理器與分配發送系統信息的核心。

四、基站（BS）

基站（BS）系統與現有的語音通話傳輸系統類似。由中樞服務器（CS）傳輸回的虛擬現實（VR）信號需要被用戶外部設施接受，再由腦機接口（BCI）終端設備進行分析與翻譯，轉化為腦電波信號，對人類大腦形成刺激，感知來自中樞服務器（CS）所要實現的虛擬現實（VR）世界。作為中轉跳板，基站（BS）最好是同步衛星與地面部分配合共同實現。

五、結論

腦機接口（BCI）終端設備與虛擬現實（VR）連接的系統在理論上可行。該技術可被應用于新型完全體感虛擬現實（VR）游戲開發，軍事模擬訓練，完全潛入式深度學習，模擬現實生活，旅游業等各個領域。使用該系統可以擺脫傳統虛擬現實（VR）設備的不協調性與眩暈感，有效提升虛擬現實（VR）的模擬現實程度。

六、討論

此系統在腦機接口（BCI）終端設備的穩定性，延遲度上仍需技術突破，在中樞服務器（CS）中的虛擬現實（VR）數據庫的建立，基站（BS）的設置也是兩項浩大的工程。如果沒有腦機接口（BCI）終端設備的技術突破，實現本系統仍需以十年為單位的時間去完成。一旦此技術突破，將會給未來的科學領域帶來顛覆的變革。

參考文獻

[1]Gabriel Gonzalez-Escamilla，Venkata C.Chirumamilla，Benjamin Meyer，Tamara Bonertz，Sarah von Grotthus，Johannes Vogt，Albrecht Stroh，Johann-Philipp Horstmann，Oliver Tüscher，Raffael Kalisch，Muthuraman Muthuraman，Sergiu Groppa.“Excitability regulation in the dorsomedial prefrontal cortex during sustained instructed fear responses： a TMS-EEG study”[J].NATURE，2018，6（06）：1-12.DOI：10.1038/s41598-018-32781-9.

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