MathWorks助力腦機接口：靈魂的器皿 意志的實體

2014年一項風(fēng)靡全球的“冰桶挑戰(zhàn)”讓漸凍癥（肌萎縮側(cè)索硬化ALS）走進(jìn)大眾的視野，人們才將目光集中在這個思想和意志被身體困住的群體身上。2017年，ALS主治藥物利魯唑（Riluzole）進(jìn)入了中國部分省份的醫(yī)保范圍，但很多醫(yī)院還是沒有進(jìn)藥，所以依然無法進(jìn)入患者可及范圍。如今，近十年過去了，漸凍癥依舊是難以治愈的罕見病癥，但我們是否能夠通過其他方式來讓這些患者釋放自己自由的靈魂呢？

       在6月8日MathWorks舉辦的2023 MATLAB EXPO 中國用戶大會（北京站）上，我們通過清華大學(xué)張丹副教授了解到了“漸凍人”未來的希望——腦機接口技術(shù)。

腦機接口：解碼思維的力量

       腦機接口分為主動腦機接口和被動腦機接口，主動腦機接口中的一部分應(yīng)用領(lǐng)域正是幫助漸凍癥患者恢復(fù)對于外界交流的能力以及拓展交流的方式。同時主動腦機接口技術(shù)還可以作為輔助診斷技術(shù)介入像癲癇這樣的腦外科疾病。而被動腦機接口也是情緒腦機接口，可以應(yīng)用在對患者的心理測評方案中。因為傳統(tǒng)的心理測評依賴于問卷，依賴于自我報告，或者咨詢師的訪談，這種方式對于受訪者的教育程度、背景、配合度都有很高的要求，所以適用性有很大的局限。而腦機接口和傳統(tǒng)問卷相結(jié)合的方式可以得到更加客觀和科學(xué)的結(jié)果。

       據(jù)張丹副教授介紹，凡是跟大腦疾病相關(guān)的，都在腦機接口技術(shù)的可解決、可應(yīng)用方向之內(nèi)。我們知道，雖然醫(yī)院也在用腦電圖、磁共振的機器，但是這些使用還是對病人有比較多的限制，基本上限定場所、有限時間的檢測檢查，無法推廣到像腦機接口技術(shù)期待的不限空間不限時間的應(yīng)用方式。

       然而想要達(dá)到這種效果要擁有可靠的前端傳感器來采集大腦信號，以及完整的系統(tǒng)來分析數(shù)據(jù)，最后精準(zhǔn)的表達(dá)出來。

MATLAB：連接科學(xué)與真實世界

       目前腦機接口還在實驗室階段，面對未來的成果轉(zhuǎn)化，張丹副教授從技術(shù)本身提出了兩個正在面臨的困難。

       首先是如何獲取有效的大腦信號，從馬斯克支持的有創(chuàng)植入式方案來說會涉及到臨床技術(shù)的挑戰(zhàn)，從無創(chuàng)貼片式方案來說會涉及到大腦信號傳感的材料和電學(xué)困難。其次，從應(yīng)用端角度，無論是機器外骨骼輔助腦機接口實現(xiàn)信號表達(dá)還是其他工程類的技術(shù)，如何將這些技術(shù)和腦機接口的輸出以及大腦信號的特性相結(jié)合成為新的難點。

張丹副教授表示：“面向產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)，這個跟具體應(yīng)用領(lǐng)域可能有關(guān)系。比如說以漸凍癥患者為例，他恢復(fù)一個字符輸入去對外傳遞信息，這事已經(jīng)很近了。假如說我們希望今后他能像正常人一樣去控制一個機器手臂，像正常人一樣到社會上去行走，去生活，那個挑戰(zhàn)距離會更遠(yuǎn)一些?！贝送?，對一個家庭來說，如何科學(xué)護(hù)理“漸凍人”，幫助“漸凍人”脫離生存困境，甚至有質(zhì)量地帶病生存，需要全社會做出更多的努力。

醫(yī)療機器人推進(jìn)兒童物理治療——測試人員正穿戴著外骨骼原型行走

從MathWorks角度來看，腦機接口技術(shù)轉(zhuǎn)化的過程跟很多醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)過程挑戰(zhàn)很相似。“加快工程和科學(xué)領(lǐng)域發(fā)明、創(chuàng)新、開發(fā)和學(xué)習(xí)的步伐，為世界帶來改變。”是MathWorks的使命，因為他們相信未來世界的真實問題、復(fù)雜問題是依靠科學(xué)家和工程師來解決的。

對于張丹副教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊來說，MathWorks旗下的MATLAB和Simulink軟件能夠快速幫助他們搭建系統(tǒng)模型，拆分復(fù)雜流程，以圖形化的APP，幫助科學(xué)家快速和高度自動化的完成，從數(shù)據(jù)采集、標(biāo)注，到降噪、變換和特征提取，以及AI超參調(diào)優(yōu)和快速原型實現(xiàn)。今年，張丹副教授團(tuán)隊還與MathWorks在2023世界機器人大賽—BCI腦控機器人大賽上共同合作了情緒腦機（青年組）賽項，鼓勵選手使用MATLAB進(jìn)行編程與實現(xiàn)，一起加速探索情緒腦機接口的潛力。[LY1] MathWorks中國區(qū)教育行業(yè)總負(fù)責(zé)人李慶節(jié)表示：“MathWorks在每個方面都有快捷的工具箱和一些經(jīng)驗，能幫助處于不同科研種類跟不同階段的客戶，能夠把每一個階段通過挑戰(zhàn)很好的解決。”

MATLAB與AI結(jié)合更適應(yīng)現(xiàn)代社會

       如今在人工智能的浪潮席卷而下，MATLAB作為一款經(jīng)典數(shù)學(xué)軟件無法與AI相割開來，無論是各種神經(jīng)卷積模型還是人工智能訓(xùn)練模型都離不開MATLAB。況且MATLAB在AI項目研發(fā)中具有得天獨厚的優(yōu)勢，例如既可以搭建系統(tǒng)模型也可以拆分流程，還可以測試模型。

       MathWorks的Sameer Prabhu博士向我們介紹，無論AI再怎么發(fā)展，它只是系統(tǒng)當(dāng)中的一部分。MathWorks除了提供AI的Model之外，也可以把AI這部分算法集成到一個完整的系統(tǒng)里面，用Simulink這樣的環(huán)境，可以把AI所有的應(yīng)用放到整個大系統(tǒng)里面，一是做整個概念上的驗證或者系統(tǒng)行為上的驗證，另外也可以做很多大量的對AI的測試。

比如在汽車工業(yè)，做自動駕駛驗證相應(yīng)的AI的算法是否有效或者是是否足夠安全，也可以把它放到整個車輛系統(tǒng)模型里面，去運行不同的場景。MathWorks可以創(chuàng)建很多不同類型的測試場景，把我們在現(xiàn)實當(dāng)中可能很難運行到的場景，都能通過仿真的方式運行出來，極大地增強使用者對于AI在工程領(lǐng)域應(yīng)用的信心。