[论文解读] Security in Brain-Computer Interfaces: State-of-the-art, opportunities, and future challenges

Sergio López Bernal, Alberto Huertas Celdrán+3 more|Open Access at Essex (University of Essex)|Aug 9, 2019

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 178被引用 16

一句话总结

本文提出了一种脑-计算机接口（BCI）生命周期的统一模型，分析了数据采集和神经刺激阶段的安全威胁。研究识别出BCI系统中的关键漏洞，提出结合5G、区块链、TLS/IPsec以及ISO 27001和NIST等标准的综合网络安全解决方案，并倡导采用主动的、基于人工智能的威胁检测与用户意识提升，以保障新兴的脑-脑通信与脑-互联网通信范式的安全性。

ABSTRACT

BCIs have significantly improved the patients' quality of life by restoring damaged hearing, sight, and movement capabilities. After evolving their application scenarios, the current trend of BCI is to enable new innovative brain-to-brain and brain-to-the-Internet communication paradigms. This technological advancement generates opportunities for attackers since users' personal information and physical integrity could be under tremendous risk. This work presents the existing versions of the BCI life-cycle and homogenizes them in a new approach that overcomes current limitations. After that, we offer a qualitative characterization of the security attacks affecting each phase of the BCI cycle to analyze their impacts and countermeasures documented in the literature. Finally, we reflect on lessons learned, highlighting research trends and future challenges concerning security on BCIs.

研究动机与目标

• 解决随着BCI向脑-脑和脑-互联网通信演进过程中日益增长的安全与隐私风险。
• 将文献中零散的BCI生命周期模型统一为标准化的双向框架，以实现一致的安全分析。
• 识别并分类BCI周期各阶段的安全攻击、其影响及已记录的对策。
• 提出可操作的、面向未来的安全解决方案，整合5G、区块链和零信任协议等新兴技术。
• 推动标准化、用户意识提升以及主动防御机制，以保障临床与消费级BCI应用中的系统安全。

提出的方法

• 提出一种统一的双向BCI生命周期模型，整合顺时针方向的神经数据采集阶段与逆时针方向的神经刺激阶段。
• 对BCI周期各阶段进行定性、分阶段的安全威胁分析，涵盖机密性、完整性、可用性与安全性。
• 评估文献中已有的对策，重点关注架构与实现层面的漏洞。
• 提出将5G技术（软件定义网络SDN、网络功能虚拟化NFV）集成，以实现未来BCI系统中动态、可扩展且安全的网络管理。
• 推荐使用加密协议（TLS、IPsec）与数据完整性机制（区块链）以保障数据传输与存储的安全。
• 建议采纳成熟的信息安全标准（ISO 27001、NIST CSF）以及博弈论模型，以在分布式BCI环境中实现自适应、主动的防御机制。

Figure 1. General functioning of a bidirectional BCI . The clockwise flow indicated with a blue arrow represents the neural data acquisition process, while the counterclockwise flow represented with a red arrow models the brain stimulation.

实验结果

研究问题

• RQ1 在双向与实时系统中，BCI生命周期各阶段面临的关键安全威胁是什么？
• RQ2 当前的BCI架构在确保数据机密性、完整性与用户安全方面存在哪些不足，特别是在临床与消费级应用中？
• RQ3 哪些新兴技术可被用于构建具有韧性的、可扩展的、主动的BCI安全框架？
• RQ4 如何对标准化与信息安全框架进行调整，以应对神经数据与神经刺激所特有的挑战？
• RQ5 人工智能与博弈论在检测与缓解BCI系统中不断演变的网络威胁方面可发挥何种作用？

主要发现

• 在安全性方面，BCI领域仍处于发展初期，为针对神经数据与刺激系统的攻击者提供了显著机会。
• 即使非高级别的攻击也可能严重威胁用户安全与数据完整性，尤其在涉及神经刺激的临床环境中。
• 5G技术（SDN、NFV）的集成可实现未来BCI生态系统的动态、可扩展且安全的网络管理。
• 结合TLS与IPsec等加密协议以及区块链用于数据溯源，可显著提升数据的机密性与完整性。
• 采纳ISO 27001与NIST网络安全框架等成熟标准，可统一并强化BCI安全实践。
• 未来BCI安全必须包含基于人工智能的实时异常检测，以及主动的、基于博弈论的防御模型，以应对不断演变的威胁。

Figure 2. Bidirectional BCI functioning cycle representing, in black, the common phases for neural data acquisition and brain stimulation. (Left side) Representation, in blue, of the processes performed and the data transferred by each phase of the neural data acquisition process. This cycle can be