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捕捉大腦的活動,身體不動,就能「隨心所欲」地控制機械。BMI(腦機介面)技術的研發進行地如火如荼。為了使人類的大腦成為新的「輸入器件」,技術開發正在不斷推進。

「請把注意力集中在想做事情的圖標上」。在日本產業技術綜合研究所理學博士長谷川良平的指示下,筆者將目光投向了排列著8個圖標的顯示器螢幕上。因為想看電視,所以筆者凝視著寫有“TV”的圖標。

過了一會,在TV圖標的上面,「是這個吧」的文字一閃而過。之後每隔幾秒,就會以不規則的頻率閃爍文字。大約到第5次的時候,畫面上的虛擬形象替記者說話了:「我想看電視」。

虛擬形象為何能替記者說出想法?

其實,在看顯示器的時候,記者頭上佩戴了由8個電極和火柴盒大小的處理裝置組成的「腦電波儀」。腦電波儀用來測量可以隔著頭皮檢測的腦電波(大腦產生的電信號)。根據腦電波隨視覺刺激發生的變化,推測記者的意圖,讓虛擬形象「代言」。

幫助疑難病症患者

通過讀取大腦的活動,讓大腦變為「輸入器件」,不用動手,就能操作裝置和機械——這種技術叫作“BMI(腦機介面)”。不只是記者這樣的健全人,作為用來幫助因受傷、ALS(肌萎縮側索硬化症)等疑難病症,而難以活動肢體、或者說話患者的技術,BMI如今備受關注。日本產綜研將在2015年夏季,在筑波大學附屬醫院開始臨床驗證。

通過精密分析腦電波,完全掌握思考的內容不是一件簡單的事情。單純在腦子裏想「我想看電視」,虛擬形象並不會直接代為表達。

產綜研提前測量了使用者在注視各個圖標和閃爍的「是這個吧」的時候,腦電波出現的變化。通過事先檢測「每個人千差萬別」(長谷川)的腦電波波形,與實際注視同一事物時的反應對照,判定注視的是哪一個圖標。

將圖標限定為8個,是出於對識別精度的重視。增加選項雖然可以增加表達的事物,但也會導致誤判增多。

產綜研從2000年代啟動相關研究,通過加入過濾家電等產生的噪音的機構,提高了識別精度。現在進行8次識別,也不一定會出現1次失誤。腦電波儀也從形似游泳帽,常被吐槽「壓得太陽穴疼」的初期款式,進化到了像自行車頭盔一樣的形狀。在易用性方面,也在逐步靠近實用。

但是,在內嵌電極和腦電波儀後,價格最低也要幾十萬日元。為便於檢測到腦電波,還要在頭皮上塗抹含有食鹽的凝膠。為此,以提供半導體測試服務為主業的Tera Probe,把研發目標鎖定在了成本為幾萬日元的實用化設備。

只需要在頭頂的1個位置佩戴電極,注視平板電腦螢幕上顯示出的文字。「因為很多技術正在申請專利」(先行技術開發室長古京直也),該公司沒有披露詳細情況,但介紹說,當使用者看到以人眼察覺不到的速度無序閃爍的文字時,根據腦電波某個部分表現出的變化,可以確定使用者看的是哪個字。並且在郵件中輸入這個字。輸入目標文字「精度達90%」(古京)。

產綜研與Tera Probe都是把外部「刺激」作為解讀腦電波的鑰匙。另一方面,利用人的「意念」操作機械的舉措也已經啟動。

想像數字,向目的地移動

金澤工業大學的中澤實教授利用腦海中浮現出1和2的「形狀」時發出的腦電波的波形,實現了利用「意念」操作輪椅。

佩戴耳機的學生坐上電動輪椅,進入沉思。不一會兒,電動輪椅就自己駛向了目的地——洗手間。

學生想像的是數字1。雖然直接想像「洗手間」是最省事的方式,但中澤教授說:「使用腦電波檢測出(地點和目的等)複雜思維的差別,在現階段還很困難」。還是分別想像1、2、3等數字的形狀的方式簡單,而且容易在腦電波上表現出差異。

於是,中澤教授按照「1=洗手間」的搭配,為地點與數字事先建立聯繫,實現了只需「想像」,即可自動前往目的地的輪椅。只要檢測到使用者在想像數字1,活用輪椅上安裝的雷達,就可以避開障礙物前往洗手間。這一點與自動駕駛汽車的原理相同。中澤教授通過累積腦電波的波形,正在為更細緻地解析思考的內容進行研究。今後將力爭實現「只要想到洗手間,就能前往洗手間的電動輪椅」。

通過血液流動捕捉大腦活動

除了腦電波,還有利用其他指標捕捉大腦活動的方法。其中,島津製作所已經在抑鬱症診斷輔助裝置等產品中投入實用的,是根據「血液含氧量」檢測大腦活動狀態的技術。叫作「近紅外分光光度法(NIRS)」。

比如說,通過捕捉血液含氧量的變化,相比前面提到的腦電波儀,可以更詳細地讀取大腦在產生「想開空調」的想法時的活動狀態。NIRS裝置的反應速度約為5秒,雖然比只需不到1秒的腦電波儀慢,但在減少誤識別上優勢明顯。

(照射近紅外光,通過光線在大腦內部的擴散方式,調查腦內血液中的含氧量。通過把含氧量數據與以往的模型相對照,推測對象的想法)

因此,國際電氣通信基礎技術研究所(ATR)把島津製作所的NIRS與腦電波儀組合,正在研究只通過大腦活動,完成操作家電等室內的各項動作。

BMI的研究之所以火爆,是因為過去只能利用醫院的MRI(磁共振成像裝置)、MEG(腦磁圖)等大型裝置才能檢測到的大腦活動,已經可以由使用腦電波儀、NIRS的小型裝置進行捕捉。

現階段的研究成果,需要為數字和地點建立聯繫、或是進行訓練,與「心靈感應」還相差甚遠。雖說分析技術日新月異,但研究人員都表示「儘管如此,人類的大腦依然充滿了尚未解開的謎團」。實用化雖然還面臨著許多課題,但為了讓BMI早日造福飽受疾病和重傷之苦的患者,研發競爭已經趨於了白熱化。(記者:佐藤浩實,《日經商務週刊》)