脑机接口、开源和民主化增强意识的未来

图1：物理学家Edmond Dewan和作曲家Alvin Lucier为独奏者合作创作音乐。

BCI技术的可访问性增加，也让BCI驱动的艺术蓬勃发展。MarinaAbramovic的持续表演艺术作品就是利用EmotivEPOC可视化和神经语境化同步人们的相互凝视（如图2所示）。Polar手持设备（如图3所示）测量观众的心跳。

图2：测量相互凝视的魔力&艺术家在场。

图3：纽约市开放日画廊的紧急装置（左）和由连续心跳触发并上传到Flickr的数字记忆（右）。

 3   BCI数据

随着消费级BCI和生物识别技术的普及，这些技术在研究、严肃游戏和康复方面的应用开始大幅度增加。现在可以从成本低于1,000美元且相对易于佩戴的无线设备中获取有意义的BCI数据（如图4所示）。

图4：消费级BCI设备显着提高了舒适性和可穿戴性，同时还允许在新的环境中使用设备并提出新的问题类型。左上角，一个标准的湿脑电图系统，然而早期的系统很容易受到运动伪影的影响。右上角，Emotiv的无线耳机，虽然仍然使用湿电极，但与早期系统相比，设置更快，可穿戴性也大大提高。左下角，大多数诊所都有ECG设置，这些设置通常使用10个粘性电极来监测心脏活动。右下角，今天的腕戴式智能手边可以通过按下按钮 告用户的心电图。

然而，消费级BCI设备的这些优势也带来了透明度挑战。大多数消费电子产品世界，包括BCI设备，都以闭源精神为主。从使用闭源算法预处理的数据中获取指标时，可能会出现进一步的限制。例如，为了处理与运动相关的噪音，消费级设备即使信 质量很低，通常也会采用严格的平滑和插值，以便为消费者提供“最佳猜测”HR值。虽然这种插值可以改善HR估计和整体消费者体验，如图5所示，但由此产生的PPG估计可能会严重失真。

图5：心率变异性推导的说明性示例以及平滑心率数据如何导致变异性检测交感/副交感神经系统的变化。图表基于电生理学（1996）中提供的数据。（A）显示仰卧休息期间心率的原始转速图波动，（C）显示仰卧休息心率数据的导数功率谱密度（PSD），以计算可用于计算VLF、LF和HF频带评估自主神经系统的平衡。（B,D）显示在90度平视倾斜生理扰动增加交感神经系统反应后的原始心率转速图和派生的PSD图。作用于原始静止转速图数据的平滑或插值算法可能会生成与（B）中的倾斜条件类似的转速图数据，从而导致观察到的LF/HF比率出现虚假偏移。在具有潜在数据缺口和笨拙的闭源平滑/插值算法的可穿戴消费设备的背景下，因此有可能将平滑或插值数据误解为交感/副交感神经系统响应的变化，即使没有这种变化已经发生了。

比数据失真本身更糟糕的是，在消费级设备上执行插值的算法是闭源的，并且通常不清楚数据何时被插值以及何时真实地反映了佩戴者的生理活动。因此，在任何给定的实验范式中，很难评估数据失真，何时可能导致夸大，得出低估甚至与事实相反的解释。因此，当结果无法从一项研究复制到下一项研究时，或者即使效果出现或者消失时，算法随着不同固件和软件版本的变化而发生变化。在开发新的治疗方法、训练协议和严肃的游戏应用程序时，这些错误可能会对现实世界产生影响。特别是随着衍生指标成为下游分析和机器学习算法的构建块和输入，透明度对于复制和理解结果以及解开人脑神秘内部运作的能力变得至关重要。

 4   BCI与深度神经 络模型

当我们查看有关神经科学中机器学习的期刊文章数量时，采用深度神经 络模型在过去30年中不断增长（如图6所示）。这种上升的发生是因为神经科学经历了数据量和数据集的革命，研究人员能够从可以记录的大量神经信 中收集数据并构建数据集，同时数据集的大小正在迅速增加。研究人员越来越需要机器学习方法来处理这些数据并试图深入了解他们。然而如果这些深度神经 络模型不透明，那么预测新环境的可靠性和通用性可能会具有更多的挑战。事实上，在AI或BCI领域分析此类模型的可解释性的工作相对较少。随着围绕人工智能、数据隐私和道德的讨论继续进行，它们可能只会变得更加重要。正是在这种背景下，对模型的解释能力和可解释性有了更为紧迫的需求。

图7：实验室环境中使用的闭环设置示例。生理信 是使用一组位于视觉皮层上的电极记录的，而刺激则显示在VR耳机上。目前，该系统支持高级认知状态的深度学习模型推理。

图9：显示从用户感知中移除刺激的闭环场景的图表。触发层显示用户打算避免的刺激。识别层是在用户的设备上计算的，并掩盖要被阻止的刺激。阻塞刺激层是用户在显示触发刺激时所感知的。

 6   结尾

参考链接

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcomp.2021.661300/full

Brain-Computer Interfaces, Open-Source, and Democratizing the Future of Augmented Consciousness

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