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神经系统科学:
攻丝心灵
1。英格丽Wickelgren
虽然仍主要实验，设备，破译大脑信号正在迅速推进，并允许一些完全瘫痪的人与世界互动
肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）可以捕获动的身体内部的头脑。它破坏的神经控制肌肉，最终离开病人没有说话的能力，甚至轻弹一方自己的眼睛。然而，在过去的几年中，研究人员已经开始装备这种“锁定”的患者，包括那些由中风或其他疾病，解开他们心中的通信设备，瘫痪。
几十年来，科幻作家设想电脑与大脑直接沟通。现在迅速扩大集团的研究人员正在成为现实。一些实验室开始在20世纪80年代开发的这些所谓的脑-计算机接口（BCIS）和已提炼自那时以来（1999年10月29日科学，页888）。现在几十个队进入该领域。一起，他们正在改善后早期的BCI模型和新的方法来读取大脑信号。据BCI先锋乔纳森Wolpaw沃兹沃斯中心，在奥尔巴尼，纽约州卫生署的一部分，“这是一个非常激动人心的时刻，很多人都参与。”
大多数企业景气指数读取脑电波，神经活动，可以检测，尽管模糊，通过头皮造成的电脉冲。通过努力控制自己的心理活动，患者可以选择字母拼写单词，引导游标，或直接原油机器人。但对手圈的科学家正在快速推进内植入大脑的BCI的类型。这种装置利用到单个神经元中继的更详细的神经信号。这些植入景气的最复杂的有最近启用猴子玩游戏，甚至操纵机械臂。是否植入的设备实际上将导致更为灵活和可行的企业景气指数比外部的类型是一个激烈争论的问题。
在过去几年中，脑电波的BCI技术已突飞猛进，提供了假肢，环境控制设备，智能轮椅拼写更快，更好的光标控制，并取得进展。的进步推动了更便宜和更复杂的计算机硬件和软件，这给了BCI的研究人员访问，执行复杂的数学操作上飞的便携机中的一部分。老式的资金帮助，太：国家卫生研究院授予沃兹沃斯组为首的伙伴关系进一步发展软件，可以测试几个BCI系统，看看哪些是最好的病人在2002年年底的3.3万美元。研究人员还可以使用软件来构建和测试自己的大脑窃听技术。
此外，国防部高级研究计划局（DARPA）最近获得了美国杜克大学的研究小组2600万美元，以改善其植入的BCI技术。DARPA的发言人说，该机构在技术，例如，可能使士兵与他们的大脑推的按钮，让他们加快潜艇和飞机的控制，使他们能够更熟练地操纵机械臂移动弹药感兴趣。
到目前为止，极少数患者有脑机接口的访问。一个或多个严重残疾的病人进行了一些零星的实验室测试，和一个研究小组至今已尝试了创纪录的11例患者的BCI技术。大多数测试的各项景气指数的发展过程中的实验对象是健康人。然而，推进技术和软件的创新已经成为更广泛地提供的风口浪尖上的企业景气指数。
我想我可以。
与培训，人们可以调节他们的脑电波，直接一个微型机器人导航的方式，通过一个样板房的房间。信用：J.DEL河文澜知觉人工智能/达勒MOLLE系统学报
开发一系列有用的应用，尤其是把过去的实验阶段，并经常使用在人们的家中，该领域的下一个大挑战景气的关键。在亚特兰大的佐治亚州立大学的计算机科学家旋律摩尔说：“很多良好的工作已在过去15年里建立一个基础”的企业景气指数。“现在，它的时间来建造房子。”
数万人从中受益的BCI技术。最初的受益者将是的人几乎完全瘫痪，一些ALS患者，仅在美国就有30000人与脑瘫严重的形式;谁遭受严重中风或意外事故，除其他病人。BCI技术的提高，预计到严重残
疾的人，如要操作轮椅或机器人的四肢，成为有用的。
冲浪的脑电波
十亿个神经元在大脑中，不断吸收和离子喷涌而出，创造微小的电流。探测器称为脑电图（EEG）测量一次通过电极贴在头皮上，这些微妙的火花，以百万计的总和。
尼尔斯Birbaumer，在德国蒂宾根大学的心理学家，是首次发现，人们可以控制某些脑电波之一。他专注于所谓慢波皮质潜力：逐步电压的变化，从大脑的外观部分，称为大脑皮层，并散发出发生在几秒钟。在20世纪90年代初，Birbaumer和他的团队创造了一个拼写，患者要学会控制使用积极或消极的慢波之间做出选择两个字母的银行。一旦选定，银行分成两，继续淘汰的过程，揭示了希望的信。1999年3月，Birbaumer和他的同事报告说，2个月的训练，每天大约一个小时后，两个ALS的患者呼吸器学会写字速度每分钟约两个字符的消息。
另一组的脑电流，称为亩波8日和12赫兹之间的频率脑电节律和β节律，有一倍左右万亩节奏的频率wolpaw训练他的眼睛。无论是从大脑的表面散发出介导的感觉和运动，感觉皮层。wolpaw和他的同事们，包括沃兹沃斯心理学家丹尼斯·麦克法兰和计划协调员特里萨沃恩，开发了一个系统，使一个人将通过提高或降低一万亩或β节奏的幅度向上或向下的光标。通常一个人首先学会做此想象向上或向下移动手或身体的其他部分。正常人，在1994年报道的团队，可以使用亩和β的节奏，直接游标有些粗暴，但高达70％的准确率在两个方面，在电脑屏幕上的角落里，四个大目标之一。
此后，沃兹沃斯团队所需的脑电频率有所改善，寻在其技术，这些信号转化为光标移动和调整的BCI的个人用户。这些进步给用户提供更精确的光标控制。现在在新闻工作中，麦克法兰，Wolpaw，和他们的同事表明，大学生可以使用的BCI劝光标精确的距离或土地上的四个图标，朝着一个小鼠脑电波的目标迈出了一步。“一旦你可以控制鼠标，整个世界的软件打开给你，Wolpaw说。”沃兹沃斯神经学家伊琳娜宫察洛娃现在领导的努力，在费城的德雷克塞尔大学医院在轻度或中度ALS患者的BCI测试。
但Wolpaw和Birbaumer技术的需要几周个月的培训，教人如何控制自己的脑电波。相比之下，脑机接口控制技术的发展由心理学家伊曼纽尔Donchin现在在坦帕的南佛罗里达大学，几乎没有需要培训。donchin和他的研究生拉里·法威尔，然后在伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校，在20世纪80年代中期，根据他们对所谓的P300的波的BCI原型，一个简短的电压增加，某些发病后约300毫秒峰意外或突发事件。
donchin和法威尔设计了一个网格，如空间和退格键的字母和打字功能，行和列，闪烁在屏幕上随机出现的字母。一个人在网格中的信，并侧重于精神上表示：“这就是它！”亮起时，行或列包含字母。发生这种情况，约1 6闪烁，使事件多少有些令人吃惊，因此可能引起P300的波。计算机，然后确定信，发现产生的波的行和列的交集。
大学生最近的测试表明，该系统可用于“类型”近8个字符，每分钟有80％的准确率。donchin和他的团队现在开始，以测试他们的BCI严重残疾的病人。
另一个景气指数为用户提供了瞬间移动机器人的控制。而不是分析一个特定的脑电成分，如万亩节奏或慢波，何塞·德尔·米伦在瑞士马蒂尼达勒MOLLE感知人工智能研究所，制定了景气指数，整体八个头皮位置的脑电信号分析。它依赖于事实思维截然不同不同的想法，会产生不同的脑波模式。用神经网络算法，计算机学会区分三个这样的想法说，心算，可视化的一个旋转的立方体，或想象的手臂动作和编程，以执行特定的命令，根据它检测到的心理模式。
在未发表的作品，今年春天健康人学会使用文澜的景气指数来操纵一个口袋大小的轮式机器人，一个独立的一个智能轮椅。他们能让它溜走前进，右转，左转，或停止，从而能够直接以惊人的速度通过样板房。“惊人的发现是，受试者可以用大脑中只有35％多的时间，如果他们只是按一个键会比采取控制，”米伦说。文澜编程，他的BCI发出命令，两次第二，使用户可以决定对飞哪里去了，并说，避免过度1入口。
计算机通信
这些技术的一大缺点是，它们是不相容的，使它们难以结合，并减缓其发展。系统最开始僵化，所以增加一个新功能是令人痛苦的困难。例如，Wolpaw和他的团队，包括软件工程师，格温Schalk，发现脑电信号出现一个人的时候犯了一个错误，而使用他们的BCI，发现一个可以用来设计一个快速的“擦除”选项，为他们的系统。但加入这样的选择，都意味着广泛的重新编程。
因此，在2000年2月，Wolpaw，Schalk，麦克法兰与Birbaumer和蒂宾根大学的软件工程师蒂洛Hinterberger合作建立BCI2000，一个灵活的，通用的BCI可以选择平台上的各种脑电波，并可以很容易地建立新的应用。他们分享它广泛，使其更容易进入该领域的新人。最终，他们希望护士或家庭照顾者以最少的培训将使用基于Windows的系统，消除了对稀缺的专家需要陪的BCI软件。“Birbaumer说：”我们需要一个全球的用户友好的系统，是一个相当聪明的人可以从互联网上免费下载。
大脑字典。
新的脑计算机接口，帮助患者翻译的想法的话更有效地比早期型号。
信用：H.谢赫/沃兹沃斯中心/纽约州卫生署的BCI2000的基本框架是现在已经完成，Wolpaw预计即将出版的细节。它有四个很容易适应的脑机接口的四个基本功能模块处理。一个原始的大脑信号，放大它，和它的数字编码。另一个提取大脑信号所需的功能，如万亩节奏或P300的信号，并转换信号转换成光标在某一个方向的运动，如命令。第三，控制设备，比方说，浏览互联网或经营假肢。第四，允许用户启动和停止的BCI和指定的详细信息，如速度，其运作。
该软件已经有一个领域的影响。2002年春天，南佛罗里达的Donchin，需要升级他的BCI，这是不符合国家的最先进的电脑，这样他就可以开始测试残疾病人。Wolpaw和Schalk donchin遇到的BCI会议在在Renelaerville，纽约，于2002年6月，并介绍他的困境。schalk自愿BCI2000做必要的规划。2个星期内，Schalk管理得到Donchin的BCI的启动和运行，使Donchin将其带到纽约市，他在九月的第一个病人（作者的父亲）来测试它。
佐治亚州的摩尔和她的同事们使用BCI2000发展环境控制系统，允许用户打开和关闭的灯，一台电视机，和脑电波的无线电。他们还建立了一个通信系统，其中一人可以选择从一个名词，动词，对象名单的话，将预测的话，甚至谈话，可能提供更快的通信速度比传统的参赛者允许。其Web浏览器会导致光标在改变大脑信号从一个网页链接到下一个跳。
到目前为止，这些原型应用已主要是测试模拟大脑的信号，但摩尔刚开始他们对健康志愿者进行测试，并很快将包括脊髓损伤早期的ALS患者。最终，摩尔计划下发展，也将通过脑电波控制的智能轮椅，安装一台笔记本电脑上运行所有这些应用程序。
直接从大脑
许多研究人员认为，景气指数，依靠模糊的脑电波信号是有限的价值。这些设备听上积累的数以百万计的神经元的嗡嗡声，他们合并后，通过头骨，类似于从棒球场停车场的人群听。基于EEG的企业景气指数
“不提取实际的信息在我们的大脑，例如，纽约大学健康科学中心在布鲁克林州立大学的神经科学家约翰·查平说：”我们对一个词的概念。
相比之下，相对新一代的BCI研究人员植入大脑内的电极上的几个体育场内从几个席位之遥的谈话拿起单个神经元的喋喋不休，像窃听的东西。这些信号，翠萍和别人抗衡，包括脑运动的实际代码和思想。神经学家菲利普·肯尼迪，总部位于亚特兰大的神经信号的头，和他的神经外科医生的同事罗恩Bakay和Princewill Ehirim是迄今唯一一支建立在人类植入电极的脑机接口。他们最成功的病人，佐治亚干壁承包商名为约翰尼·雷曾遭受了严重的中风，离开了他几乎完全瘫痪，学会调整自己的神经信号来操作游标，使他拼打，如报表的图标“我饿了。“（雷，其中肯尼迪呼吁人类最早的机械人，在他去世前的景气指数为4年，在2002年春天。）
光通信技术肯尼迪发明通过一种新的电极在大脑中，化学品衬玻璃锥哄神经元增长录音电线通过电极和纽带。允许这种锚电极和稳定的记录。在目前的设计，肯尼迪和他的同事两个电极植入到病人的大脑，他们正在向植入时间8。其他研究小组正在测试，提取信息从几十到数百个脑细胞在时间的设备。一些研究人员认为，是更大规模的阵列，以先进的假肢的关键。
在20世纪90年代中期，蔡平，然后在宾夕法尼亚州的Hanemann学校医学在费城，和米格尔Nicolelis，在杜克大学医学院，螺纹老鼠的大脑内46发超薄线和教的动物，以使用其思想独自到小费杠杆和接收一滴水。一台电脑郁闷的杠杆，只要拿起这样，在目前的格局显示，当老鼠与它的爪子移动杠杆的微丝神经信号。
Nicolelis，翠萍，和他们的同事在2000年春季，两个猫头鹰猴的大脑内植入更广泛的阵列。他们教这些猴子用自己的双手操作操纵杆，操纵游标，或达到了他们的武器抢一块水果，并把它带到自己的嘴巴。研究小组发现，一个简单的公式，可以预测，从猴子的手的位置毫秒后的100个神经元的电活动。他们翻译成指令的机器人手臂这些天然的神经元模式和观看机器人乖乖地模仿猴子的手臂动作。
这样的系统有其局限性。猴子移动手臂产生正确的大脑信号模式，这将无法正常工作瘫痪的人。此外，猴子有没有想法，其大脑信号控制机，因此它不能学习，以提高机器人的性能。
直接连接。
猴子已经学会了控制机械臂，像这样通过一个在他们的大脑中植入电极。
信用：M.NICOLELIS /杜克大学
最近，神经学家安德鲁·施瓦茨领导，在亚利桑那州立大学的前身一组，解决这些问题。他们绑住猴子的手，和他们玩游戏，而他们的大脑信号直接控制一个光标。实践2至3周后，猴子可能达到正确的目标，几乎每一个时间。研究者观察到的64个神经元的放电模式的变化，改善动物的技能联系，说明实践的脑电波游戏珩磨细胞的反应（科学，2002年6月7日，1829）。“猴子可以挤了很多资料，从一个最小的神经信号，”施瓦茨说。他强调，学习，游戏的视觉反馈的指导下，这种能力的关键。
同样，在工作中提出了2002年社会神经科学在11月的会议，Nicolelis的球队，同时收集来自86个运动皮层神经元的数据，教猕猴使用操纵杆快速定位目标内的光标。科学家们然后断开操纵杆猴子虽然仍然可以处理它，跑了神经信号解码的游戏。猴子似乎只是思想的学习操纵光标，并最终停止完全将其手中。最近，杜克大学的研究人员已经增加了一个新的机器人爪手进入循环。当猴子走向光标在屏幕上的目标时，机器人会达到一个对象。猴子也将收到来自其皮肤表明的力量，它的爪抓住对象的小振动器触觉反馈。更快的振动，较高的力量。研究人员希望，这将使猴子要学会拿起一个对象，没有破碎或删除。这个
实验说，Nicolelis，应该有“你做什么来控制假肢装置的巨大影响。”在ALS患者，他们保留了一些轰动，甚至被摧毁后，大多数运动神经元，利用触觉反馈会特别有用。
类似的努力，现在在美国匹兹堡大学，施瓦茨和他的合作者已经迷上猴子的大脑机械臂。如果猴子被允许查看计算机屏幕上的机器人和食品，它可以让机器人伸手去获取食物。
在施瓦茨和Nicolelis的实验中，猴子首次训练，通过练习用自己的双手的运动，瘫痪的人不能做的事。但Nicolelis是乐观的，这个障碍是可以克服的，因为人们可以用口头指示训练。“我们希望，我们可以表明一个人的视觉轨迹，或者告诉他只是想执行运动”，并认为将引起运动皮层神经元活动的连贯模式，Nicolelis说。
植入人类，而不是他们至少建立植入电极是安全的阵列之前，必须克服许多其他障碍。至于稳定性，在猕猴的微丝仍然拿起信号从神经元的1年后的最初作物的绝大多数。在Schwartz的情况下，一些电极已持续长达3年。“施瓦茨说，”但我们需要知道这是规则。
同时，施瓦茨和密歇根大学团队正在开发的电极植入更容易和更安全和更安全地交互与自然的脑组织。布朗大学的约翰·多诺霍还正与研究人员在罗得岛普罗维登斯Cyberkinetics的新型硅100微电极阵列，他说，将提取神经信号容易得多。
但在该领域的一些研究人员怀疑，如果试图植入人类大脑中的这种阵列得到电机的指令可能会适得其反。经营假肢时，例如，用户可能只是告诉它取消，降低，或打开或关闭它的手，或即使掌握在某一个对象的位置，让机器人做休息。“企业景气指数只需要传达的意图，”Wolpaw争辩，而不是大脑将如何协调动作的细节。事实上，神经学家格特·Pfurtscheller和他的团队在奥地利格拉茨技术大学已经表明，四肢瘫痪的患者安装了假肢左手学会了使用与头皮基于BCI的表象，打开和关闭的手。经过5个月的训练，病人与他新的手拿起一个苹果，把它吃掉了。
撤消修改
