《流浪地球2》中的数字生命如何实现脑电信号采集

《流浪地球2》中的数字生命展示了生命的另一种生存状态，也激发了各种关于数字生命的讨论。通过装置可以采集人脑的全部信息吗？数字化之后形成的数字生命可以完整复制一个人吗？通过脑机接口技术如何采集人脑的信息呢？其实现有的脑机接口技术已经可以采集人的脑电信号，但这些技术采集的信息更多的是记录人类脑电信号变化的特征，通过学习这些特征来实现人脑与机器之间的交互。

脑电信号采集

脑电信号可以分为两种，诱发脑电信号和自发脑电信号。所谓诱发脑电信号，顾名思义，是通过某些外界刺激“诱发”的脑电信号。当受到外界刺激时我们的大脑会产生某种电位变化。例如，以一定强度的闪光或图形刺激视网膜，可在视觉皮层或头颅骨外的枕区记录到电位变化。这种电位的变化被称作“视觉诱发电位”。我们常常通过观察视觉诱发电位来研究人类的感觉机能、神经系统疾病、还有行为与心理活动。在《流浪地球2》中被采集者躺在实验床上，头上戴的采集设备，通过这些设备可以实现对诱发脑电信号的感知和获取。

第二种脑电信号叫做“自发脑电信号”。这种信号不依赖外界的刺激，是大脑自发的产生的。也就是说我们可以通过训练，主动的控制这种信号的产生。比如受试者通过训练，主动控制脑信号的变化波动，并实现对外界输出有规律的脑信号变化。例如，当我们控制身体进行运动，或者想象运动的时候，我们的大脑感觉运动皮层会产生相应的电位信号。信号被设备采集到之后，经过处理进行数字化。此外，人在心理活动时也会产生对应的电位变化。经过训练后，我们甚至可以通过控制这种信号变化实现对外界的文字交流。这种信号被称为“皮层慢电位”，常常被用于心理学和神经生理学领域的研究。

大脑的不同区域控制着不同的感官和行为，想要通过大脑控制信号特征。首先要能获取大脑的信号。脑电信号采集的方法主要有四种。第一种是“脑电图”，通过嵌入电极帽中的电极记录大脑的电活动，须事先安装并调试以获得良好的信号。最大的优点是便宜且便携，最为常用。脑机设备也是采用了这种技术。

第二种是“脑皮层电图”，通过外科手术将电极植入大脑表面，相比于第一种可更准确的记录高频脑活动，具有更高的空间分辦率。电极一旦植入即可使用，无须每次准备。第三种叫做“深度电极”， 深度电极记录使用通过外科手术植入大脑的电极。这种方法具有类似于“脑皮层电图”的特性，但记录的是来自一小群神经元的活动。因此，这两种方法提供了大脑活动的不同图景。最后一种是“功能性磁共振成像”，与前面几种方法不一样，功能磁共振成像不能测量电活动，而是用来测量与不同精神活动相关的大脑血流变化。而这些变化不能像上面三种方法那样用时间精度来检测。而系统需要非常强大的磁场，因此要花费昂贵且不便于携带。

这么多种采集技术，我们如何选择呢？或者说我们如何评估技术的优劣呢？

脑电信号采集技术的优劣首先要从采集规模角度评估，也就是说可以记录多少神经元的信息。然后还要考虑接受信息的细致程度，也就是分辨率。空间上的分辨率指能否记录单个神经元的触发情况。时间上的分辨率指能以多大精度记录活动发生的时间。除此之外，还需要考虑技术是否是“侵入性”的。也就是是否需要手术植入设备，手术的影响范围有多大。虽然侵入性的技术在采集精度上有一定优势，但是往往会造成一定的伤害和危险。比如，皮层脑电图和深度电极这两个过程需要神经外科手术植入电极。只有在医学上有必要的时候才会考虑这种手术，比如在癫痫手术之前，或者对于那些沟通和控制选择很少或没有其他选择的严重残疾患者。这种手术很昂贵而且有一定的危险性。所以在电影中采用的是应该是最便携的脑电图技术。

设备采集到脑电信号后，并不能直接输入计算机。首先采集的过程中存在很多噪声和干扰，如眼动干扰、声音干扰。需要减弱或除去采样过程中的干扰，并保证原有信号成分特征不变。然后，电极帽采集获得模拟信号，在输入计算机外理之前，通过A/D板转化为数字信号。完成了这些后，才能将数据存储到计算机内进一步分析处理。

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