計(jì)算鬼成像（computational ghost imaging, CGI），使用關(guān)聯(lián)計(jì)算獲得物體信息，已被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、遙感、安防等領(lǐng)域，且已取得許多重要的成果。 ? 腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI），是一種將人類大腦與外部計(jì)算機(jī)或機(jī)器連接起來(lái)的技術(shù)，通過識(shí)別和解析大腦發(fā)出的電信號(hào)，來(lái)控制計(jì)算機(jī)或機(jī)器的行為，以及讀取或監(jiān)測(cè)大腦的活動(dòng)狀態(tài)。目前，該技術(shù)正在為增強(qiáng)人類能力開啟一系列新的可能性和途徑。 ? 近日，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)物理學(xué)博士生王高，提出了一種連接人腦和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 CGI 的架構(gòu)[1]。該研究有望實(shí)現(xiàn)對(duì)人體視覺感知的增強(qiáng)，也為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。 例如，該成果可以對(duì)人眼的視線之外的物體進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)感知的增強(qiáng)。研究中，該團(tuán)隊(duì)利用人類視覺系統(tǒng)，來(lái)檢測(cè)包含場(chǎng)景信息的強(qiáng)度信號(hào)，然后通過腦電波讀取并傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建。 ? 另外，該研究也提供了一種探索大腦神經(jīng)學(xué)的技術(shù)路線，為理解人類視覺系統(tǒng)的神經(jīng)物理學(xué)機(jī)制提供了新線索，可被用于研究有意識(shí)和非意識(shí)下的腦電狀態(tài)差異。 ?

日前，相關(guān)論文以《用人腦進(jìn)行計(jì)算鬼成像》（Computational Ghost Imaging with the Human Brain）為題發(fā)在 Intelligent Computing 上，王高是第一作者，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)丹尼爾·法喬（Daniele Faccio）教授擔(dān)任通訊作者。 該成果有多個(gè)潛在具體應(yīng)用： ? 其一，在人體增強(qiáng)方面，使用腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算成像可以擴(kuò)展人類的感知能力，例如實(shí)現(xiàn)對(duì)人的視線之外的場(chǎng)景進(jìn)行成像。 ? 其二，在人機(jī)交互方面，通過人眼實(shí)現(xiàn)對(duì)所注視區(qū)域的成像，有望增強(qiáng)殘疾人與外界的交互能力。 ? 其三，在神經(jīng)物理學(xué)方面，本次成果提供了一種探索大腦神經(jīng)學(xué)的技術(shù)路線，例如在有意識(shí)和非意識(shí)狀態(tài)下腦電差異的表征。 ? 其四，在醫(yī)學(xué)方面，該技術(shù)可以為檢查人腦的視覺通路的功能，提供一個(gè)潛在的框架和方法。 ? 其五，在腦機(jī)結(jié)合方面，該技術(shù)可潛在地使用人類大腦強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，來(lái)處理外部環(huán)境中的視覺刺激，并通過讀取 BCI 所記錄的腦電信號(hào)來(lái)完成復(fù)雜任務(wù)。例如，使用人類大腦識(shí)別或分類圖像。 在王高的碩士階段，他就開始研究計(jì)算鬼成像技術(shù)，他發(fā)現(xiàn)算法中的累加過程可以通過人眼的視覺暫留來(lái)實(shí)現(xiàn)，即裸眼鬼成像技術(shù)[2][3][4]。在博士階段，他把人類視覺系統(tǒng)當(dāng)成探測(cè)器，將計(jì)算鬼成像和人腦結(jié)合，提出了基于腦機(jī)接口的計(jì)算鬼成像技術(shù)[1]。 ? 為了實(shí)現(xiàn)基于腦機(jī)接口的計(jì)算鬼成像技術(shù)，他學(xué)習(xí)了相關(guān)的腦機(jī)接口技術(shù)知識(shí)，尤其是視覺誘發(fā)信號(hào)。 ? 后來(lái)，他在研究中調(diào)研了腦機(jī)接口中常用的視覺誘發(fā)信號(hào)，選取了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP，steady-state visual evoked potential）作為成像探測(cè)的一部分。 ? 通過大量實(shí)驗(yàn)，他研究了光學(xué)刺激輸入和 SSVEP 輸出之間的強(qiáng)度關(guān)系，繪制了相應(yīng)的熱力圖，為后續(xù)的成像提供了基礎(chǔ)。 ? 接著，王高提出自適應(yīng)計(jì)算循環(huán)，將 SSVEP 信號(hào)對(duì)光學(xué)散斑進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)控，借此來(lái)加快成像速度、減少探測(cè)次數(shù)、以及縮短成像所需的時(shí)間。 ? 然后，他構(gòu)建了計(jì)算鬼成像的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì) SSVEP 實(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)度探測(cè)序列到物體圖像的成像映射，也降低了噪聲的影響、提高了成像的質(zhì)量。 ? 最后，他在有意識(shí)和非意識(shí)狀態(tài)下進(jìn)行成像重構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)被試對(duì)象在被要求有意識(shí)地口述、或鍵入感知到的光強(qiáng)度時(shí)，基于腦電重建的圖像質(zhì)量會(huì)降低。 ? 在初學(xué)腦機(jī)設(shè)備時(shí)，王高使用了一款 14 通道的商用腦機(jī)接口設(shè)備來(lái)采集腦電信號(hào)，但這需要每年付費(fèi)訂閱才能全面使用。每個(gè)通道需要一定時(shí)間進(jìn)行預(yù)處理后才能佩戴在頭上，即加鹽水增強(qiáng)導(dǎo)電性。 ? 而他的研究重點(diǎn)在視覺皮層的腦電上，而該設(shè)備的 14 個(gè)電極中只有兩個(gè)在這個(gè)區(qū)域，因此很多通道用處不大。

為了簡(jiǎn)化操作，他決定自己制作一個(gè)只采集視覺皮層腦電信號(hào)的三電極腦機(jī)設(shè)備。經(jīng)過選購(gòu)芯片、設(shè)計(jì)電極、3D 打印模型、搭建線路、使用電腦聲卡進(jìn)行信號(hào)采集、編寫基于 MATLAB 的軟件控制代碼等步驟，最終完成了軟硬件的搭建。整個(gè)過程中，主要花費(fèi)在芯片購(gòu)買上（約 200 元人民幣）。 ? 他的目標(biāo)是制作一個(gè)可以快速佩戴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的低成本設(shè)備，相比之下上述商用設(shè)備的年訂閱費(fèi)就超過七千元人民幣。他說(shuō)：“這次 DIY 的經(jīng)歷，也讓我想起在西安交通大學(xué)讀研時(shí)使用幾塊錢的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷[2][3]?！?? 另?yè)?jù)悉，大腦在有意識(shí)和非意識(shí)的狀態(tài)之間，大腦的工作狀態(tài)存在著更多需要探索之處。目前，他在論文里使用簡(jiǎn)單的周期性光強(qiáng)變化作為輸入，在這兩種狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)腦電的輸出會(huì)有不同。 ? 而在后續(xù)研究里，他將使用更加復(fù)雜的視覺刺激作為輸入，進(jìn)而觀察腦電的輸出在兩種狀態(tài)下的差異。以及進(jìn)一步研究和應(yīng)用大腦的非線性效應(yīng)。 ? 據(jù)介紹，王高本碩均畢業(yè)于西安交通大學(xué)。他說(shuō)：“本科期間我把時(shí)間和精力投入到學(xué)習(xí) MATLAB 中，通過閱讀 MATLAB 的幫助文檔，我學(xué)習(xí)了許多數(shù)據(jù)處理算法和硬件控制的相關(guān)知識(shí)。因?yàn)槲艺J(rèn)識(shí)到做理工科的科研，數(shù)據(jù)采集和處理是非常重要的一環(huán)。這為我在碩士階段的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?? 在碩士階段，王高的主要研究方向是計(jì)算鬼成像。碩士期間他參與了不少項(xiàng)目，涉獵了光路設(shè)計(jì)與搭建、機(jī)械制圖與制造、以及電路繪圖與制版等多個(gè)方面的知識(shí)。 ? “因此，在光機(jī)電的各個(gè)方向，我得到了較為全面的發(fā)展。此外，也通曉了各種工程軟件的使用以及各種光機(jī)電設(shè)備的使用。”他說(shuō)。 ? 目前，王高在英國(guó)格拉斯哥大學(xué)攻讀物理學(xué)博士，主要研究方向是：用人腦進(jìn)行計(jì)算成像。其還表示：“我計(jì)劃博士畢業(yè)后，在海外做三年的博士后，然后回國(guó)找工作?！?