自古以來，人們以豐富的想像力在小說或電影裡勾勒出外太空或未來的世界，充滿對未來生活的期待，同時也不斷地身體力行，實現夢想。

 

舉例來說，電燈的發明克服了用火把照明的不便，使用裝在牆壁上的開關，人們不需爬上爬下就可控制電燈的明暗。更進一步裝配定時設備，我們開始不須煩惱為數眾多的路燈會在白天忘了熄滅，而造成電力浪費。隨著科技的進步，原本只存在於電影中的聲控產品也面世了，如果有足夠的經濟能力，我們甚至可以讓家電的使用都依照簡單的口語指令進行。

然而，科技的發展是不是就這樣到達極限了呢？就實際而言，除了促進日常生活的便利外，這種科技上的進步能不能更適切地運用在醫療上呢？

許多病人因為中風或其他後天原因，導致肢體無力。這樣的病人操控肢體的意念和肢體外觀都是健全的，卻由於意念和肢體之間的聯繫故障，而沒有辦法讓肢體發揮功能。前一陣子極受矚目的《潛水鐘與蝴蝶》這本書，便真實地記錄了作者因為橋腦中風，導致四肢無力、無法言語，雖然意識清醒，卻只能靠眨眼的動作及眼球的移動來表示意願。相信看過的讀者，對作者的痛苦都會深感同情！

因為有許多類似的案例，便啟發了科學家們投入這樣的研究︰只要不是植物人，腦波都是持續二十四小時不停地存在的，那麼不靠肢體行動或言語，只靠腦波的變化來控制外在的工具，是否可行？

認識腦波：不同心智活動對應不同腦波

顧名思義，腦波就是可以由儀器記錄下來的腦細胞活動的電波。人類的大腦像顆花椰菜，大腦皮質（又稱為灰質）相當於花椰菜綠色的部分，它包覆在髓質（又稱白質）的外圍。灰質由六層共約一百億至三百億個神經元細胞體組成，它們之間有著錯綜複雜的連結，以細胞膜上的電位變化來交換資訊，互相聯絡。

一群群功能類似而聚在一起的神經元細胞，分布在皮質不同區域上。大腦在解剖學上分為額葉、頂葉、顳葉、枕葉四大區域，分別掌管運動、感覺、記憶、空間感、視覺等不同的功能，並且指揮肢體的動作和行為。細胞間電位變化形成的電流雖然微弱，但是經由分區貼在頭皮上的電極，把所接收到的訊號以放大器處理，並過濾雜訊後，就可以提供臨床上判斷各區腦細胞活動功能的重要資訊。

 

自從一九二九年，德國的精神科教授柏格（Hans Berger，1873－1941）成功完成首例人類腦波的記錄之後，經過數十年不斷的測試及研究，腦波專家已經了解正常人在不同年齡的腦波型態、清醒與睡眠的腦波變化，並可區分出各種異常波形代表的病理意義。記錄腦波已是一項絕對安全的檢查，在神經科常見的頭痛、頭暈、失智症、意識不清等病症的檢查上，都扮演重要的角色，尤其在癲癇病人身上更是不可或缺。

腦波依其頻率基本上分為四種，由慢到快依序是 δ 波（4赫茲以下）、θ 波（4～7赫茲）、α 波（8～12赫茲）以及 β 波（13赫茲以上）。當一般正常人安靜閉眼，但維持清醒狀態時，腦波主要是對稱的 α 波。α 波在枕葉部位特別明顯，並且在病人眼睛張開後便會被抑制。δ 波和 θ 波統稱為慢波，一般出現於睡眠時期，若是成人在清醒狀態下出現慢波，則大多是異常。β 波又稱為快波，臨床意義較為多樣化，依出現的時期、情境和部位來決定。

 

近數十年來，學者們陸續發現，當受測者被動接受外來的視覺、聽覺或感覺的刺激時，可以在腦部引發時間上固定相關的對應電波變化。另外一類型的變化則是和受測者主動的心智活動相關，例如請受測者從事心算、思考或記憶等腦部運作時，也會引起腦波振幅的下降，但是這樣的腦波變化和所從事的心智活動之間，並沒有非常固定的相位關係。

隨著對腦波了解的加深，一些在疾病診斷上不是那麼重要，但是又具有特殊生理意義的波形陸續被辨識出來，其中以「μ 波」最具代表性。一九五二年有學者首度詳細描述這種波形，它的頻率和幅度與受測者的 α 波相似，但頻率略快些。μ 波的分布位置和 α 波也不相同。

μ 波一般被認為是腦部運動皮質區功能的代表，在受測者處於張眼狀態時仍會出現。受測者手指有動作時，會對 μ 波產生抑制，這種抑制在手指肌肉收縮真正產生動作之前，便可以由儀器記錄到。有趣的是，就算只是想像手指的動作，也能夠產生這種效果！這種特性讓聰明的科學家發覺利用 μ 波作為人腦—電腦介面的可能性。

人腦電腦介面：腦部控制電腦

人機介面是近年來極為風行的研究主題，主要在探討如何讓機器的使用更為人性化。以微軟的視窗系統為例，主要目的便是使電腦的使用更加簡單直覺，不需要學習艱深的原理或繁複的指令，一般人都能夠輕鬆地操作電腦。現在有許多位於機場、車站等地的查詢電腦，使用觸控式螢幕，讓遊客能輕鬆地獲得旅遊資訊，也是人機介面在生活中應用的好例子。

在醫學上，腦部功能正常，卻因中風、肌肉疾病、運動神經元疾病（中文俗稱「漸凍人」）、或是多發性神經病變，造成四肢癱瘓的病人不在少數。如果能夠設計出不須依靠肢體的人機介面，讓這樣的病友們能夠依自己的意願，獨立完成一些日常生活上的動作，會是一大福音！

目前已經有研究團隊發展出運用分析眼球運動、眨眼或頭部動作，來控制電腦的人機介面。由於腦部的活動是人類一切行為的起源，假如能夠直接以腦部活動來控制電腦系統，那麼使用方法就更近似人類自然的使用方式，這就是「人腦電腦介面」的概念。

目前正在發展的人腦電腦介面分為兩大類。一類利用的是功能性影像學，包括腦部功能性磁振造影、腦部正子造影及腦磁圖等。這類的檢查結果是動態的，例如受測者想像右手做動作時，在功能性磁振造影的腦部切面圖上，就可以看見對應在左側運動皮質的部位訊號增加，分析及加強這種動態的訊號變化，就可以用來控制電腦。遺憾的是，這一類的系統通常受限於儀器的龐大，僅能在實驗室中供研究用，而無法廣泛地在一般環境中使用。

另一類的人腦電腦介面，利用的是腦部電位的變化，除了視覺誘發電位、直流腦波等之外，以運用前述μ波的生理特性為代表。例如，當病友產生使用右手的意願時，利用儀器辨識出這個想法所引起的左大腦腦波變化，轉換成數位訊號，再傳遞到所連結的外在工具，產生設定的動作。由於微電子技術進展迅速，目前腦波的感應器可以做得很小而且便宜，受環境干擾也較小，因此適合廣泛使用。腦波基本上可以分為四種，不同的腦波出現於不同的情境。（圖／http://140.116.164.38/%5CResearch/Brain.htm）

 

 

如何意念控制電腦？

在建構人腦電腦介面時，如何從腦波中分離出動作的意念是最困難、也是最關鍵的部分。通常擷取腦波並數位化後，腦波訊號需要先經過消除雜訊的步驟，希望消除的雜訊包括眨眼、走動和周遭環境的電磁波，然後再利用各種訊號處理的技術去偵測動作意念。

 

訊號處理的方式包括先進的系統辨識技術和分群分類方法，最後把偵測出的原始意念轉換成機器能了解的聰明指令。理想上，辨識意念的程式需要能不斷地自動調整程式本身，來適應隨時間改變特性的腦波。

 

目前的應用依其難易程度依序有以下幾個方向：人腦電腦介面可分為三個部分：腦波擷取、腦波處理和機器控制。腦波擷取的重點在於「忠實偵測腦波」和「電極微小化」，腦波處理的重點在於「意念偵測」和「隨時間適應腦波變化」，而機器控制的重點則在於如何利用簡單的指令產生複雜多樣的動作。