腦機接口技術未來暢想（設計腦機接口的實踐指南）

2023-09-18 01:04:33

腦機接口（BCI）指的是將大腦與計算機連接起來的工具。過去十年間，業界對 BCI 的關注度迅速增長——一個典型例子就是，埃隆·馬斯克名下主要研發腦機接口技術的初創企業 Neuralink 每次開新發布會都會引發輿論熱議[1]。Neuralink 可以在大腦中植入人造物來完成多種任務，諸如用思維來控制動作或直接在大腦中播放音樂等。

你會感到恐懼嗎？沒關係，這是很正常的。但在這篇文章中，我們將只關注一個簡單的 BCI 實現，具體來說是用一個娛樂設備[2]記錄腦電波活動，即腦電圖（EEG）。這個實現不需要對人體做任何手術（也不會有疼痛或死亡風險）。雖然你（很遺憾）不能用它來收聽你最喜歡的樂曲列表，但可以實時觀看 BCI 佩戴者的情緒波動（只不過是以代碼的形式）。

一個用例：用 EEG Unicorn 估測情緒

如前所述，在本教程中我們將從想法一路走到具體的實現，完成所有必要的步驟來設計一個處理具體任務的 BCI。作為示例，我們要做的 BCI 屬於情緒估測領域。這個應用旨在估計參與者的情緒狀態。

情緒 BCI 圖解。

如圖所示，這個管道的目的是將參與者的 EEG 信號作為輸入，並返回相應的 V-A 情感坐標圖。V-A 圖是一種應用於生物心理學的情緒坐標，其中 Valence（橫軸）代表愉快和不愉快（即積極和消極）的程度，而 Arousal（縱軸）代表興奮和平靜的水平。基於這種表示，任何情感狀態均可表示為 VA 坐標平面上的一個點。

設計情緒識別 BCI 的關鍵步驟

具體而言，為設計和部署 BCI，我們必須遵循幾個關鍵步驟。

範式定義和信號記錄

首先我們要定義 BCI 的範式：我想對什麼事物建模？或者想要估計哪些信息？我的應用程式的目的是什麼？我是否想通過 BCI 來控制機械手/腳？我是要評估駕駛任務中駕駛員/成員的警覺性嗎？是要預測疾病的發作機率？還是檢測癲癇發作狀態？科學界對一些可以插入 BCI 的研究項目存在巨大興趣。

在本文的案例中，我們決定關注之前的一項研究工作，就是估計參與者觀看一些視頻時的情緒狀態[3]。這篇論文還提出了一個可以促進特定情緒狀態的視頻列表（我們對此非常感興趣！）。這些視頻的列表和對應的情緒都可以在 youtube 上找到，並列在注[4]中。

因此我們設計了一個實驗基準測試，包括在參與者觀看宣傳特定情緒的視頻時記錄他們的 EEG 信號。在我們的存儲庫中，腳本registration_pipeline.py給出了一段完成這一任務的代碼，用戶只需將他想要處理的視頻放在專用目錄中（或改變路徑）即可。

概要分析

有了上述基準測試，我們就可以完成腦電波信號的記錄工作了。這些信號最後將構成訓練 ML 模型（甚至是 DL）所必要的數據集。

我們來做這個模型吧......等一下!在建成一個能夠從 EEG 信號中估計情緒的管道之前，我們必須提取信息來幫助模型處理數據。如果你有大量信號和/或可用的計算資源，跳過這一步也是可以的。但為了保持簡潔，我們考慮採用更自然簡單的模型來簡化複雜性。一種可能的提取信息的方法是基於腦電圖信號的頻率特性，也就是說「這個腦電圖片段是在高頻率還是低頻率範圍內振蕩？」。過去，科學家們發現，一些腦電圖信號是由幾個頻段組成的，每個頻段在特定的任務或行為中都會增強/減弱[4]。

δ為深度睡眠，[0-4Hz]。θ表示昏昏欲睡，[4-7Hz]。α代表放鬆和閉目思考，[8-15Hz]。β代表積極思考和與專注相關的狀態[16-31Hz]。γ代表感受到更多壓力的狀態[32-50Hz]。特徵提取的圖示。

按照這個過程，我們從每個 EEG 片段中提取了一個信息向量。這個過程的目的是提取信息，以便更好地處理生物醫學信號。這個步驟可以使用腳本outline_analysis.py的第一部分來處理。

最後（如果你還跟得上的話），你應該知道剩下的步驟是創建一個模型，用它從上面預計算的特徵向量中估計情緒狀態（是快樂還是悲傷？）。這裡為了讓我們的方法簡單易懂，我們考慮一個由決策樹組成的簡單模型。這種簡單方法背後的想法是尋找動態閾值來區分信息向量，例如第 i 個電極的高α貢獻對應於低 arousal，第 j 個電極的中等γ貢獻對應於高 valence，等等。

給出特徵向量 X 和它的標籤 y，就可以創建一個名為 clf 的分類器（對應於決策樹）。該分類器可以通過以下幾行代碼輕鬆訓練。

from sklearn import treeclf = tree.DecisionTreeClassifier # definition of the modelclf.fit(X, y) # training of the model...

複製代碼

在 outline_analysis.py 的第二部分給出了一個更完整的解釋，包括整個模型描述和訓練。訓練完這個簡單的決策樹後，可以用 joblib 庫來保存它。

...from joblib import dumpdump(clf, 'classifier_file_name')

複製代碼

實時實現

在訓練和保存模型之後，剩下的步驟是將各個部分合併在一起。

兩個聯合腳本必須並行工作：第一個腳本旨在記錄、處理和估計來自 EEG 的情緒狀態pylsl_emotion.py；第二個腳本會在圖形上顯示相應的情緒和對應的笑臉，如play_emotion.py所述。

嘗試一下

最後提一句：自己嘗試一下吧！上述代碼和自述文件都放到了Github上。你可以自己嘗試，或者為不同的模型或 EEG 耳機改編代碼。

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