一款免费开源工具让设计脑机接口比搭建乐高还要简单

想象一下，你能够直接用意念撰写电子邮件或操控轮椅。对于数百万患有肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 等神经系统疾病的人来说，这种可能性可能会改变他们的人生。他们的思考和感知能力依然完好，但与外界的联系却常常中断。

几十年来，科学家们一直梦想着用脑机接口 (BCI) 来弥合这一鸿沟——这项技术允许人们仅凭意念的力量进行交流和互动。然而，多年来，BCI 系统的开发一直局限于少数拥有特定跨学科专业知识和编程技能的专家。

近日，发表于 PLOS One 的一篇文章中，研究人员介绍了PyNoetic，它旨在克服早期神经科学家面临的最大障碍之一——严格的编码。

BCI 开发中的根本挑战

有两大根本挑战阻碍了 BCI 的广泛应用。首先，大脑的复杂性意味着“一刀切”的方法在实践中很少奏效。针对一种疾病——甚至针对某个个体——设计的系统往往无法应用于其他疾病。这凸显了我们迫切需要能够快速构建高度定制化脑机接口原型的工具，以满足每位用户的个性化需求。

其次，现有的脑机接口开发平台通常学习难度高，缺乏灵活性，并且需要研究人员在各种昂贵的专有软件之间切换。这不仅推高了成本，还设置了巨大的准入门槛，阻碍了整个领域的发展。

为了解决这些问题，研究人员开发了PyNoetic：一个免费的开源Python 框架，旨在使脑机接口研究更加大众化。其目标是设计一个功能强大且全面的平台，无论研究人员的编程经验如何，都能轻松使用。

神经科学家的需求：无代码方法

我们设计 PyNoetic 的目的是提供创建高度定制化算法所需的工具，我们相信这些算法是脑机接口的未来。我们框架的核心是一个强大的图形用户界面 (GUI)，它具有独特的“拾取放置”式可配置流程图。

这使得任何研究人员都可以通过拖放指令卡来创建独特的脑机接口 (BCI) 方案。例如，研究人员可以直观地排列标有“过滤信号”、“识别关键通道”和“输出”的卡片，使复杂的流程设计过程变得直观。

我们相信这种无代码方法将带来革命性的改变。它将使神经科学家、临床医生和其他领域的专家能够快速构建原型并测试他们的想法，而无需陷入复杂的代码中。对于我们的高级程序员同事，我们确保该框架仍然能够以最小的努力无缝集成自定义算法。这种灵活性对于根据个人需求定制脑机接口至关重要。

通过允许研究人员轻松替换算法并重新配置整个处理流程，我们能够根据特定个体的独特神经活动对系统进行微调。

至关重要的是，PyNoetic中的大多数功能都基于可调参数构建，使研究人员能够精细地控制从滤波器设置到机器学习模型配置的所有内容。这确保了脑机接口流程的每个阶段都能根据个体独特的神经生理学进行精确校准。

整个系统可以被视为一个数字工作台，或者更确切地说，是一套“用于构建脑机接口的乐高积木”。为了使 PyNoetic 成为真正独立的解决方案，我们构建了它来覆盖整个 BCI 管道，包括刺激生成（创建自定义视觉和听觉刺激以引发特定的大脑反应）、数据采集和记录（连接到 EEG 硬件以记录大脑活动）、预处理和过滤（清理嘈杂的 EEG 信号并消除眨眼等伪影）、特征提取（使用多种技术识别大脑数据中的有意义的模式）、分类（使用机器学习和深度学习模型将大脑信号转换为命令）和实时模拟（在具有视觉和听觉反馈的 2D 或 3D 模拟环境中测试完整的 BCI 系统）。

为协作和未来而生

从一开始，我们就将PyNoetic 设计为免费、开源且跨平台（Windows、macOS 和 Linux）的版本。我们选择 Python 作为其核心语言，以便充分利用 BCI 社区中已成为标准的庞大科学和机器学习库生态系统。

模块化是我们最重要的架构选择之一。我们将 PyNoetic 精心划分为不同的模块，以满足 BCI 专业领域的不同需求。这种设计使系统更易于导航，更重要的是，它鼓励社区协作。我们希望专家能够赋能，为特定模块做出贡献并进行更新，确保 PyNoetic 始终与时俱进，紧跟最新的前沿方法。

我们知道这只是第一步。该框架无法立即满足所有需求，但我们认为此次发布是更广泛对话的开端。我们期待 PyNoetic 能够通过社区贡献不断发展壮大，并超越其初始阶段。

通过降低技术门槛并提供全面的一体化平台，我们相信 PyNoetic 能够加速脑机接口 (BCI) 研究的创新，并赋能全球科学家，使思维控制技术的革命性愿景更接近现实。

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