淺論腦機接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

張青堯 蔣方遒

在腦機接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，使用者通過腦機接口（BCI）實現(xiàn)進入虛擬現(xiàn)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(shè)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(zhuǎn)換為電子信號傳入外部設(shè)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(xiàn)實世界的感官刺激效果。本文將簡要講解該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

一、總體結(jié)構(gòu)

腦機接口（BCI）連接虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，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(wù)器（CS-CENTRAL SERVER），基站（BS-BASE STATION）信息傳輸裝置。使用該系統(tǒng)時，用戶佩戴非侵入式腦機接口設(shè)備，該設(shè)備將用戶腦電波轉(zhuǎn)換為電子信號即時傳輸?shù)街袠蟹?wù)器（CS）中，由中樞服務(wù)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(yīng)的反饋信息，反饋信息由基站（BS）發(fā)送出去，輸入到來源用戶的連接腦機接口（BCI）外部設(shè)備中，并由腦機接口（BCI）終端轉(zhuǎn)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(wù)器（CS）虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫的虛擬感官信息，進入虛擬現(xiàn)實世界。

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

二、腦機接口（BCI）終端設(shè)備

腦機接口（BCI）終端設(shè)備原理與顱磁刺激（TMS-TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION）技術(shù)原理類似，通過顱磁刺激（TMS）來感知大腦刺激部位神經(jīng)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(jīng)由無線線路無損地傳入總服務(wù)器。在信號返回時也必須反向重復(fù)上述環(huán)節(jié)。

由Gabriel Gonzalez-Escamilla等人的實驗，即結(jié)合腦電圖神經(jīng)電上的指示恐懼類型興奮范式，對事件相關(guān)電位和顳下頜關(guān)節(jié)誘發(fā)電位進行分析。然后再進一步將興奮性調(diào)節(jié)模式與個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，與無威脅相比，皮質(zhì)興奮性增強，對威脅處理的能力更強，其表現(xiàn)為誘發(fā)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(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)測了恐懼處理的興奮性調(diào)節(jié)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(shù)為依托，最終實現(xiàn)該腦機接口（BCI）終端設(shè)備。

三、中樞服務(wù)器（CS）

中樞服務(wù)器（CS）負責(zé)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(xiàn)實數(shù)據(jù)庫中篩選出有用信息，將這些相關(guān)信息壓縮打包，形成合適的電子信號，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（VR）信號需要被用戶外部設(shè)施接受，再由腦機接口（BCI）終端設(shè)備進行分析與翻譯，轉(zhuǎn)化為腦電波信號，對人類大腦形成刺激，感知來自中樞服務(wù)器（CS）所要實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實（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現(xiàn)。

五、結(jié)論

腦機接口（BCI）終端設(shè)備與虛擬現(xiàn)實（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（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)實生活，旅游業(yè)等各個領(lǐng)域。使用該系統(tǒng)可以擺脫傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備的不協(xié)調(diào)性與眩暈感，有效提升虛擬現(xiàn)實（VR）的模擬現(xiàn)實程度。

六、討論

此系統(tǒng)在腦機接口（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（VR）數(shù)據(jù)庫的建立，基站（BS）的設(shè)置也是兩項浩大的工程。如果沒有腦機接口（BCI）終端設(shè)備的技術(shù)突破，實現(xiàn)本系統(tǒng)仍需以十年為單位的時間去完成。一旦此技術(shù)突破，將會給未來的科學(xué)領(lǐng)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.

[2]Hochberg，L.R.，Bacher，D.，Jarosiewicz，B.，Masse，N.Y.，Simeral，J.D.，Vogel，J.，Haddadin，S.，Liu，J.，Cash，S.S.，Van Der Smagt，P.，Donoghue，J.P.“Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm”[J].NATURE，2012，5（98）：372-375.DOI：10.1038/nature11076.