西安“八项重点工作”中的脑科学到底是什么？来看现场演示

日前，西安市委召开八个方面重点工作动员部署会议，决定2023年将着力做好八个方面重点工作，其中提到今年将前瞻布局脑科学等未来产业。

脑科学是什么，西安为何要布局这一产业，都有哪些优势？带着这些疑问，百理君专访了西北工业大学电子信息学院谢松云教授（从事脑科学和人工智能交叉研究二十多年的学者），了解了它的现状和未来。

其实早在2018年百理君就曾探秘西北工业大学团队研发的脑控技术。谢松云教授所带领的神经信息团队在该领域取得了重大突破：操作者盯着屏幕上的灯，机器人就会动；大脑进行想象就能控制无人机左右运动；原理为系统检测到脑电波后转化为控制信号，实现脑控。

现场，五架无人机并排排列，等待“命令”，操作者头戴“脑电帽”，对着视觉刺激装置，装置上有9个LED灯闪烁，操作者通过注视不同的闪烁灯、脑中的想象，无人机编队即可完成不同的动作。只见五架无人机飞起来后，队形时而交错，时而翻跟头，很有气势。

原理是什么？谢松云介绍：“人脑控制时，脑电波检测易出现不稳定的状况，人脑也容易疲劳，所以采用人机协同控制，系统会更稳定。视觉刺激装置上，对应不同的频率提前设置了无人机不同的队形变换，频率闪烁刺激视觉后，大脑产生对应的脑电波特征，脑电波特征经编码转化为控制信号，从而实现对无人机队形变换的控制。”

通俗地讲，可以把闪烁的LED灯视为按钮，对按钮不再需要用手去控制，而是眼睛看着、大脑想象，选择哪一个按钮，就会实现按钮所对应的技术功能。其中的关系为频率—人脑—解码—编码—控制。

“无人机编队在不同的环境下，通过人脑控制，可以完成无法预先规划的飞行任务，这项技术也可用于无人机避障和路径规划等。”谢松云说。

此外，还有脑机协同机械臂智能控制，就是通过上述原理，“指挥”机械臂对物品拿起、放下、交换、撤销，可用于残疾人辅助设施等。人脑意念支配的虚拟超市，人通过注目、大脑想象，就可选定物品。

操作者戴着“脑电帽”，手中拿着“方向操作器”，电脑屏幕上显示车辆在道路上行驶的画面，“脑电帽”将检测到脑电波投射到另一个电脑屏幕，从而掌握操作者的注意力情况。这时，操作者的角色等同于一辆汽车上的驾驶员。

谢松云教授介绍：“这套系统可以监测驾驶员在开车时是否注意力集中，通过检测脑电波，系统可以比驾驶员本人更早‘意识’到他有没有分心，帮助驾驶员安全行车。这项技术还可以用于睡眠监测、情绪监测、记忆力改善等。”

操作者卸下“脑电帽”时，百理君看到他头发上粘着类似发胶的导电膏，“导电膏可以减少人体阻抗，帮助系统对脑电波进行更精准的检测。”谢松云教授说。

谢松云教授：人机融合技术。因为靠人脑主动控制存在信号不稳定、反应慢等问题，所以将人脑的快速认知能力与人工智能的快速计算能力相融合，建立人机统一的新的智能体，是目前脑科学和人工智能交叉研究的重点方向。

通过将脑电和眼动等人体生物特征与人工智能技术相融合，我们建立了人机融合决策模型，提高了无人机、无人车的避障性能。通俗地讲，比如，在无人机或无人车行驶时，单纯使用人工智能，对于一些障碍物或路面危险是无法检测到从而进行躲避的，但将人对突发状况的下意识反应通过脑电和眼动等检测提取出来，与人工智能的决策与控制系统相融合，无人机或无人车就会成功避开危险，安全行驶。

谢松云教授：发达国家在脑科学的研究起步比我国早，相关研究投入力度大。从全球看，部分脑科学的研究成果已经产业化，进入实际应用领域，比如脑机接口，也就是脑功能检测设备，主要应用在医疗领域，用于多种疾病的检查治疗。我国国内有研究团队生产的侵入式脑电图仪已远销欧洲。

大多数研究成果也仍在实验室阶段，需要进一步推进产业化，因为需要非常大的投入，另外，脑科学是一门交叉学科，涉及神经生物学、心理学、电子、信息、计算机、数学、伦理学、哲学等，非常复杂，大脑的不确定性较多，系统的稳定性还需要时间去研究和完善。

医疗领域的应用中，脑机接口使用的脑电信号采集方式有侵入式和非侵入式等，侵入式就是通过医疗手段，把仪器装入患者颅内，仪器可以精准地感应到神经元活动，从而精准地获取脑电波，最后用脑电图显示出来，这种方式需要专业医生的开颅手术才能完成，对患者造成一定的损伤，目前多用于比如癫痫患者等临床治疗；非侵入式就是把仪器装在患者颅外，对人体没有伤害，但缺点是获取的脑电信号微弱，精准度相对低。

谢松云教授：脑科学涉及多个专业领域，又和多个学科交叉，相互作用、相互促进，对于有的应用是直接作用，有的是间接作用。上述我们讲的“脑控”，通俗地讲，可以理解为对一些按键，之前我们用手按，现在用脑意识按。

目前，已用于对多动症儿童的治疗，举例说明：系统研发了一朵花，设定了开花等动作，患者戴上相应的设备，看着这朵花，假使想让这朵花开花，当设备收集到患者集中注意力产生的脑电波后，就会通过程序，产生类似给花浇水等作用，让花慢慢成长开放，而这一过程可以让患者注意力集中，从而达到治疗的目的。另外，在电子游戏中，体验者在额头贴一个脑电级，用同样的原理，体验者可以用脑意识“指挥”，控制比如赛车游戏中加速等某一个动作，增强游戏体验感。

需要注意的是，“脑机交互”是一个双向作用，上述我们讲的是用“脑“控制“机”，即人脑输出，同“机”也可以刺激“脑”。这样的反向刺激目前在医院临床已用于癫痫病的治疗，用研发出来的系统，刺激患者的大脑神经元，比如杀死错误的神经元，激活有功能的神经元，从而让患者病情得到改善，这些均需要专业医院专业医疗团队进行操作。

同样的原理，也可以用于对抑郁症、失眠症、老年痴呆症的治疗，这类疾病的产生均与脑神经有关。研发出来的系统，通过反向刺激脑神经元，可以让神经元变得积极起来，使人开心起来。改善睡眠、改善痴呆症也是同样的原理。畅想一下，也许将来，就会有让人开心、催人睡眠、唤醒人记忆的智能产品。

助老设备、残疾人辅助设备，采用了“脑”控制“机”的原理，可以成为老年人、残疾人的生活好帮手。这类设备适用于大脑健康的人群，但设施成本大，脑电波采集方式需要更优化，目前基本还处于试验阶段。

我国老龄化已来临，脑科学将会对助老设备起到很大作用，此外，还可以用于残疾人辅助设备、医疗、无人驾驶、工业、救援救灾、教育、服务机器人产业、娱乐等领域，相信未来有广阔的前景。人工智能已经开始进入现实，脑科学研究成果的转化和落地，将实现人机协同乃至人机融合，可以使技术更精准更有效地为人类服务。

谢松云教授：西安的脑科学发展是有优势的，高校、研究所、企业之间合作密切，在相关技术和产学研方面都有优势，目前科研成果位于全国前列。陕西有脑科学联盟，多家单位经常在一起交流、讨论、合作，促进发展，互不冲突。不同研究背景的单位各有所长，西北工业大学起步早，擅长多模态脑电特征提取和人机融合无人机系统控制，有部分高校主攻残疾人辅助设施控制，科研成果更多用于临床医学等。

西安在脑科学方面起步早，有多方面的研发和应用，技术力量和积累雄厚，有政府的推动，一定会大大加速脑科学的进展。

目前，国家和陕西省对脑科学的发展非常重视，从资金、人才引进、产学研结合、成果转化等方面投入了相当大的支持，建议西安在这方面的发展可以更大胆一些，步子迈得更大一些。

编辑：五月的光