浅论脑机接口（BCI）连接虚拟现实系统

张青尧 蒋方遒

在脑机接口（BCI）连接虚拟现实系统中，使用者通过脑机接口（BCI）实现进入虚拟现实世界。脑机接口（BCI）直接与使用者大脑皮层连接，同时脑机接口与外部设备具有双向交换功能，既可以通过脑机接口（BCI）将使用者的大脑皮层活动变化的脑电波转换为电子信号传入外部设备，也可以将外部的电子信号通过脑机接口（BCI）直接输入大脑皮层，从而达到让使用者获得来自虚拟现实世界的感官刺激效果。本文将简要讲解该系统的结构。

一、总体结构

脑机接口（BCI）连接虚拟现实系统，由三个主要部分组成，分别为：用户脑机接口（BCI）终端，中枢服务器（CS-CENTRAL SERVER），基站（BS-BASE STATION）信息传输装置。使用该系统时，用户佩戴非侵入式腦机接口设备，该设备将用户脑电波转换为电子信号即时传输到中枢服务器（CS）中，由中枢服务器（CS）自动做出分析与判断，将来源用户的要求信息打包，由基站（BS）做出相应的反馈信息，反馈信息由基站（BS）发送出去，输入到来源用户的连接脑机接口（BCI）外部设备中，并由脑机接口（BCI）终端转换为脑电信号，输送回大脑皮层。此时，用户就能得到来源于中枢服务器（CS）虚拟现实数据库的虚拟感官信息，进入虚拟现实世界。

由用户脑机接口（BCI）终端、中枢服务器（CS）、基站（BS）信息传输装置，这三种设备营造出的虚拟现实（VR-VIRTUAL REALITY）世界中，用户大脑对接收到的各种刺激，做出相应的反馈活动，以达到逼近真实世界刺激的效果。此系统的结构示意图如下图：

二、脑机接口（BCI）终端设备

脑机接口（BCI）终端设备原理与颅磁刺激（TMS-TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION）技术原理类似，通过颅磁刺激（TMS）来感知大脑刺激部位神经异常的活动，并将这种异常兴奋的活动信息输出，同时对大脑输出的脑电波信号进行分析整理，压缩传输（双向），经由无线线路无损地传入总服务器。在信号返回时也必须反向重复上述环节。

由Gabriel Gonzalez-Escamilla等人的实验，即结合脑电图神经电上的指示恐惧类型兴奋范式，对事件相关电位和颞下颌关节诱发电位进行分析。然后再进一步将兴奋性调节模式与个体核磁共振成像衍生的恐惧网络灰质结构完整性联系起来，与无威胁相比，皮质兴奋性增强，对威胁处理的能力更强，其表现为诱发电位振动幅度增加。此外，颅磁刺激（TMS）增强了威胁处理过程中的诱发反应，而背内侧前额叶皮层和杏仁核的结构完整性预测了恐惧处理的兴奋性调节模式。而人类脑部活动的其它情绪与此恐惧情绪相类似，所以理论上可通过颅磁刺激（TMS）技术为依托，最终实现该脑机接口（BCI）终端设备。

三、中枢服务器（CS）

中枢服务器（CS）负责整理、分析、传输来源于脑机接口（BCI）终端的信号，并从庞大的虚拟现实数据库中筛选出有用信息，将这些相关信息压缩打包，形成合适的电子信号，传输给用户周围的基站（BS）。中枢服务器（CS）是中央处理器与分配发送系统信息的核心。

四、基站（BS）

基站（BS）系统与现有的语音通话传输系统类似。由中枢服务器（CS）传输回的虚拟现实（VR）信号需要被用户外部设施接受，再由脑机接口（BCI）终端设备进行分析与翻译，转化为脑电波信号，对人类大脑形成刺激，感知来自中枢服务器（CS）所要实现的虚拟现实（VR）世界。作为中转跳板，基站（BS）最好是同步卫星与地面部分配合共同实现。

五、结论

脑机接口（BCI）终端设备与虚拟现实（VR）连接的系统在理论上可行。该技术可被应用于新型完全体感虚拟现实（VR）游戏开发，军事模拟训练，完全潜入式深度学习，模拟现实生活，旅游业等各个领域。使用该系统可以摆脱传统虚拟现实（VR）设备的不协调性与眩晕感，有效提升虚拟现实（VR）的模拟现实程度。

六、讨论

此系统在脑机接口（BCI）终端设备的稳定性，延迟度上仍需技术突破，在中枢服务器（CS）中的虚拟现实（VR）数据库的建立，基站（BS）的设置也是两项浩大的工程。如果没有脑机接口（BCI）终端设备的技术突破，实现本系统仍需以十年为单位的时间去完成。一旦此技术突破，将会给未来的科学领域带来颠覆的变革。

参考文献

[1]Gabriel Gonzalez-Escamilla，Venkata C.Chirumamilla，Benjamin Meyer，Tamara Bonertz，Sarah von Grotthus，Johannes Vogt，Albrecht Stroh，Johann-Philipp Horstmann，Oliver Tüscher，Raffael Kalisch，Muthuraman Muthuraman，Sergiu Groppa.“Excitability regulation in the dorsomedial prefrontal cortex during sustained instructed fear responses： a TMS-EEG study”[J].NATURE，2018，6（06）：1-12.DOI：10.1038/s41598-018-32781-9.

[2]Hochberg，L.R.，Bacher，D.，Jarosiewicz，B.，Masse，N.Y.，Simeral，J.D.，Vogel，J.，Haddadin，S.，Liu，J.，Cash，S.S.，Van Der Smagt，P.，Donoghue，J.P.“Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm”[J].NATURE，2012，5（98）：372-375.DOI：10.1038/nature11076.