淺論腦機(jī)接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

張青堯 蔣方遒

在腦機(jī)接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，使用者通過(guò)腦機(jī)接口（BCI）實(shí)現(xiàn)進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界。腦機(jī)接口（BCI）直接與使用者大腦皮層連接，同時(shí)腦機(jī)接口與外部設(shè)備具有雙向交換功能，既可以通過(guò)腦機(jī)接口（BCI）將使用者的大腦皮層活動(dòng)變化的腦電波轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)傳入外部設(shè)備，也可以將外部的電子信號(hào)通過(guò)腦機(jī)接口（BCI）直接輸入大腦皮層，從而達(dá)到讓使用者獲得來(lái)自虛擬現(xiàn)實(shí)世界的感官刺激效果。本文將簡(jiǎn)要講解該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

一、總體結(jié)構(gòu)

腦機(jī)接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，由三個(gè)主要部分組成，分別為：用戶腦機(jī)接口（BCI）終端，中樞服務(wù)器（CS-CENTRAL SERVER），基站（BS-BASE STATION）信息傳輸裝置。使用該系統(tǒng)時(shí)，用戶佩戴非侵入式腦機(jī)接口設(shè)備，該設(shè)備將用戶腦電波轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)即時(shí)傳輸?shù)街袠蟹?wù)器（CS）中，由中樞服務(wù)器（CS）自動(dòng)做出分析與判斷，將來(lái)源用戶的要求信息打包，由基站（BS）做出相應(yīng)的反饋信息，反饋信息由基站（BS）發(fā)送出去，輸入到來(lái)源用戶的連接腦機(jī)接口（BCI）外部設(shè)備中，并由腦機(jī)接口（BCI）終端轉(zhuǎn)換為腦電信號(hào)，輸送回大腦皮層。此時(shí)，用戶就能得到來(lái)源于中樞服務(wù)器（CS）虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬感官信息，進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界。

由用戶腦機(jī)接口（BCI）終端、中樞服務(wù)器（CS）、基站（BS）信息傳輸裝置，這三種設(shè)備營(yíng)造出的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-VIRTUAL REALITY）世界中，用戶大腦對(duì)接收到的各種刺激，做出相應(yīng)的反饋活動(dòng)，以達(dá)到逼近真實(shí)世界刺激的效果。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖：

二、腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備

腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備原理與顱磁刺激（TMS-TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION）技術(shù)原理類似，通過(guò)顱磁刺激（TMS）來(lái)感知大腦刺激部位神經(jīng)異常的活動(dòng)，并將這種異常興奮的活動(dòng)信息輸出，同時(shí)對(duì)大腦輸出的腦電波信號(hào)進(jìn)行分析整理，壓縮傳輸（雙向），經(jīng)由無(wú)線線路無(wú)損地傳入總服務(wù)器。在信號(hào)返回時(shí)也必須反向重復(fù)上述環(huán)節(jié)。

由Gabriel Gonzalez-Escamilla等人的實(shí)驗(yàn)，即結(jié)合腦電圖神經(jīng)電上的指示恐懼類型興奮范式，對(duì)事件相關(guān)電位和顳下頜關(guān)節(jié)誘發(fā)電位進(jìn)行分析。然后再進(jìn)一步將興奮性調(diào)節(jié)模式與個(gè)體核磁共振成像衍生的恐懼網(wǎng)絡(luò)灰質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性聯(lián)系起來(lái)，與無(wú)威脅相比，皮質(zhì)興奮性增強(qiáng)，對(duì)威脅處理的能力更強(qiáng)，其表現(xiàn)為誘發(fā)電位振動(dòng)幅度增加。此外，顱磁刺激（TMS）增強(qiáng)了威脅處理過(guò)程中的誘發(fā)反應(yīng)，而背內(nèi)側(cè)前額葉皮層和杏仁核的結(jié)構(gòu)完整性預(yù)測(cè)了恐懼處理的興奮性調(diào)節(jié)模式。而人類腦部活動(dòng)的其它情緒與此恐懼情緒相類似，所以理論上可通過(guò)顱磁刺激（TMS）技術(shù)為依托，最終實(shí)現(xiàn)該腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備。

三、中樞服務(wù)器（CS）

中樞服務(wù)器（CS）負(fù)責(zé)整理、分析、傳輸來(lái)源于腦機(jī)接口（BCI）終端的信號(hào)，并從龐大的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出有用信息，將這些相關(guān)信息壓縮打包，形成合適的電子信號(hào)，傳輸給用戶周圍的基站（BS）。中樞服務(wù)器（CS）是中央處理器與分配發(fā)送系統(tǒng)信息的核心。

四、基站（BS）

基站（BS）系統(tǒng)與現(xiàn)有的語(yǔ)音通話傳輸系統(tǒng)類似。由中樞服務(wù)器（CS）傳輸回的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）信號(hào)需要被用戶外部設(shè)施接受，再由腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備進(jìn)行分析與翻譯，轉(zhuǎn)化為腦電波信號(hào)，對(duì)人類大腦形成刺激，感知來(lái)自中樞服務(wù)器（CS）所要實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）世界。作為中轉(zhuǎn)跳板，基站（BS）最好是同步衛(wèi)星與地面部分配合共同實(shí)現(xiàn)。

五、結(jié)論

腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）連接的系統(tǒng)在理論上可行。該技術(shù)可被應(yīng)用于新型完全體感虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）游戲開發(fā)，軍事模擬訓(xùn)練，完全潛入式深度學(xué)習(xí)，模擬現(xiàn)實(shí)生活，旅游業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。使用該系統(tǒng)可以擺脫傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備的不協(xié)調(diào)性與眩暈感，有效提升虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的模擬現(xiàn)實(shí)程度。

六、討論

此系統(tǒng)在腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備的穩(wěn)定性，延遲度上仍需技術(shù)突破，在中樞服務(wù)器（CS）中的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，基站（BS）的設(shè)置也是兩項(xiàng)浩大的工程。如果沒有腦機(jī)接口（BCI）終端設(shè)備的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)仍需以十年為單位的時(shí)間去完成。一旦此技術(shù)突破，將會(huì)給未來(lái)的科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆的變革。

參考文獻(xiàn)

[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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