MathWorks助力腦機接口：靈魂的器皿 意志的實(shí)體

2014年一項風(fēng)靡全球的“冰桶挑戰”讓漸凍癥（肌萎縮側索硬化ALS）走進(jìn)大眾的視野，人們才將目光集中在這個(gè)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保范圍，但很多醫院還是沒(méi)有進(jìn)藥，所以依然無(wú)法進(jìn)入患者可及范圍。如今，近十年過(guò)去了，漸凍癥依舊是難以治愈的罕見(jiàn)病癥，但我們是否能夠通過(guò)其他方式來(lái)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(hù)大會(huì )（北京站）上，我們通過(guò)清華大學(xué)張丹副教授了解到了“漸凍人”未來(lái)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(dòng)腦機接口和被動(dòng)腦機接口，主動(dòng)腦機接口中的一部分應用領(lǐng)域正是幫助漸凍癥患者恢復對于外界交流的能力以及拓展交流的方式。同時(shí)主動(dòng)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(dòng)腦機接口也是情緒腦機接口，可以應用在對患者的心理測評方案中。因為傳統的心理測評依賴(lài)于問(wèn)卷，依賴(lài)于自我報告，或者咨詢(xún)師的訪(fǎng)談，這種方式對于受訪(fǎng)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。而腦機接口和傳統問(wèn)卷相結合的方式可以得到更加客觀(guān)和科學(xué)的結果。

       據張丹副教授介紹，凡是跟大腦疾病相關(guān)的，都在腦機接口技術(shù)的可解決、可應用方向之內。我們知道，雖然醫院也在用腦電圖、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(chǎng)所、有限時(shí)間的檢測檢查，無(wú)法推廣到像腦機接口技術(shù)期待的不限空間不限時(shí)間的應用方式。

       然而想要達到這種效果要擁有可靠的前端傳感器來(lái)采集大腦信號，以及完整的系統來(lái)分析數據，最后精準的表達出來(lái)。

MATLAB：連接科學(xué)與真實(shí)世界

       目前腦機接口還在實(shí)驗室階段，面對未來(lái)的成果轉化，張丹副教授從技術(shù)本身提出了兩個(gè)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(lái)說(shuō)會(huì )涉及到臨床技術(shù)的挑戰，從無(wú)創(chuàng )貼片式方案來(lái)說(shuō)會(huì )涉及到大腦信號傳感的材料和電學(xué)困難。其次，從應用端角度，無(wú)論是機器外骨骼輔助腦機接口實(shí)現信號表達還是其他工程類(lèi)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合成為新的難點(diǎn)。

張丹副教授表示：“面向產(chǎn)業(yè)化還有多遠，這個(gè)跟具體應用領(lǐng)域可能有關(guān)系。比如說(shuō)以漸凍癥患者為例，他恢復一個(gè)字符輸入去對外傳遞信息，這事已經(jīng)很近了。假如說(shuō)我們希望今后他能像正常人一樣去控制一個(gè)機器手臂，像正常人一樣到社會(huì )上去行走，去生活，那個(gè)挑戰距離會(huì )更遠一些?！贝送?，對一個(gè)家庭來(lái)說(shuō)，如何科學(xué)護理“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(huì )做出更多的努力。

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

從MathWorks角度來(lái)看，腦機接口技術(shù)轉化的過(guò)程跟很多醫療設備的研發(fā)過(guò)程挑戰很相似?！凹涌旃こ毯涂茖W(xué)領(lǐng)域發(fā)明、創(chuàng )新、開(kāi)發(fā)和學(xué)習的步伐，為世界帶來(lái)改變?！笔荕athWorks的使命，因為他們相信未來(lái)世界的真實(shí)問(wèn)題、復雜問(wèn)題是依靠科學(xué)家和工程師來(lái)解決的。

對于張丹副教授所帶領(lǐng)的團隊來(lái)說(shuō)，MathWorks旗下的MATLAB和Simulink軟件能夠快速幫助他們搭建系統模型，拆分復雜流程，以圖形化的APP，幫助科學(xué)家快速和高度自動(dòng)化的完成，從數據采集、標注，到降噪、變換和特征提取，以及AI超參調優(yōu)和快速原型實(shí)現。今年，張丹副教授團隊還與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(shí)現，一起加速探索情緒腦機接口的潛力。[LY1] MathWorks中國區教育行業(yè)總負責人李慶節表示：“MathWorks在每個(gè)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(lèi)跟不同階段的客戶(hù)，能夠把每一個(gè)階段通過(guò)挑戰很好的解決?！?/span>

MATLAB與AI結合更適應現代社會(huì )

       如今在人工智能的浪潮席卷而下，MATLAB作為一款經(jīng)典數學(xué)軟件無(wú)法與AI相割開(kāi)來(lái)，無(wú)論是各種神經(jīng)卷積模型還是人工智能訓練模型都離不開(kāi)MATLAB。況且MATLAB在A(yíng)I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(wú)論AI再怎么發(fā)展，它只是系統當中的一部分。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(gè)完整的系統里面，用Simulink這樣的環(huán)境，可以把AI所有的應用放到整個(gè)大系統里面，一是做整個(gè)概念上的驗證或者系統行為上的驗證，另外也可以做很多大量的對AI的測試。

比如在汽車(chē)工業(yè)，做自動(dòng)駕駛驗證相應的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(gè)車(chē)輛系統模型里面，去運行不同的場(chǎng)景。MathWorks可以創(chuàng )建很多不同類(lèi)型的測試場(chǎng)景，把我們在現實(shí)當中可能很難運行到的場(chǎng)景，都能通過(guò)仿真的方式運行出來(lái)，極大地增強使用者對于A(yíng)I在工程領(lǐng)域應用的信心。