腦機接口：打開神經控制的黑箱

王偉

隨著技術的不斷完善和多學科融合的努力，腦機接口必將逐步應用于現實，造福人類。

2016年，相比火爆到不行的人工智能、VR、AR，腦機接口（Brain-Computer Interface，簡稱BCI）技術稍顯冷門，大家普遍認為這項技術太科幻，離進入日常生活非常遙遠。然而，在已經過去的一年，腦機接口領域的進展給我們帶來了太多驚喜。一只猴子利用腦機接口技術在一分鐘內敲打出莎士比亞的經典臺詞“To be or not to be. That is the question”。荷蘭一名漸凍癥女患者將腦機接口技術從實驗室帶入到家庭中，在無需任何協助下實現了與他人的思想交流。完全癱瘓的男子利用腦機接口控制機械假肢和奧巴馬握了個手。腦機接口逐漸受到業界的廣泛關注。

腦部是人類的神經中樞。作為人體最重要的器官之一，它承擔著維系人類生存的基本任務。與此同時，幾乎所有的高級神經活動都在腦部完成。如果將人體視為一臺電腦，那么大腦就是運算核心。普通電腦可以通過外接硬盤、外接顯卡、外接內存等方法提高性能，所以有 科學家認為，這樣的“改良”同樣可以適用于人腦。這種觀點的產生，最終形成了研發腦機接口的動力。

什么是腦機接口

腦機接口是指創建在人類或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間的直接連接通路。在該定義中，“腦”指的是有機生命形式的腦或神經系統，而并非僅僅是抽象的心智或情感。“機”意指任何處理或計算的設備，其形式可以是簡單電路、硅芯片或外部設備。“接口”即“用于信息交換的中介物”。腦機接口是一門多學科交叉技術，核心的學科涉及認知科學、神經工程、神經科學等。

可以預料，當這一技術發展到一定程度，人們就能夠通過“外掛”外部設備的方式，來提高生物體腦部的運算能力，研發出一個足夠強大的腦機接口，治愈人類的腦部疾病，并賦予人腦更強大的功能。

未來，甚至有望實現恢復部分喪失的感知能力，比如視覺；還可以將非人類感知能力轉變為人類感知能力，比如對于超聲波的感知能力（就像從蝙蝠身上獲取這個能力一樣），再比如感知磁場等，就像擁有了超能力。

腦機接口作為一種全新的控制和交流方式，還可以應用到更廣闊的腦機融合領域，就是所謂的硅基生物和碳基生物的融合，打造超強人類，讓人腦進一步自然延伸。

腦機接口的發展對腦電的機理、腦認知、腦康復、信號處理、模式識別、芯片技術、計算技術等各個領域都提出了新的要求，人們也會大大加深對大腦的結構和功能的認識。

腦機接口技術的實現步驟

腦機接口的實現步驟可以分為四步：采集信號、信息解碼處理、再編碼、反饋。

1.信息采集。腦機接口的劃分形式一般以信息采集方式為標準，通常被分為侵入式、半侵入式和非侵入式。

（1）侵入式：此類腦機接口通常是直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信號質量比較高。但其缺點是容易引發免疫反應和愈傷組織（疤痕），進而導致信號質量的衰退甚至消失。侵入式腦機接口獲取的信號是直接的神經信號。目前，這種設備主要在治療中使用，如科學家利用侵入式腦機接口重建病人的特殊感覺，恢復癱瘓病人的運動功能。

成功案例來自一位名為威廉·多貝爾（William Dobelle）的科學家。1978年，多貝爾在一位盲人的腦內植入了68個電極組成的陣列，這一嘗試使得盲人產生了光幻視（又稱眼內閃光，是視網膜受到刺激時產生的感覺）。在隨后的調試中，接受這種治療的盲人能夠在有限的視野內看到低分辨率、低刷新率的點陣圖像。2002年，接受新一代系統治療的患者恢復了部分視力，甚至可以在研究中心附近駕車慢速前行。同一階段，在恢復運動功能方面，腦機接口研究也取得了顯著的進展。

（2）半侵入式：接口一般被植入到顱腔內，但是位于灰質外，其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優于非侵入式。其另一優點是引發免疫反應和愈傷組織的幾率較小。這其中最典型的例子是皮層腦電圖（ECoG）。就是將與常規腦電圖相似的電極直接植入大腦皮層。美國華盛頓大學的科學家曾利用這項技術讓一名少年患者能夠只靠腦電玩《太空侵略者》游戲。但研究者同時指出，利用基于皮層的腦電圖實現超過一維的運動很困難。

（3）非侵入式：接口不進入大腦，像帽子一樣方便佩戴于人體，但由于顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的分辨率并不高，很難確定發出信號的腦區或者相關的單個神經元的放電。

腦電圖就是其中最典型的應用。除此之外，腦磁圖（MEG）和功能性核磁共振成像（MRI）都是非侵入式腦機接口的例子。目前，非侵入式腦機接口的應用主要是收集人類腦部活動數據進行研究，而反向利用這些腦機接口作用于人腦進行治療的嘗試并不多。德國圖賓根大學的科學家在20世紀90年代曾利用腦電圖對癱瘓患者進行治療，但受限于腦電圖易受噪音干擾以及難于學習的特性，這一技術最終并未在治療領域走得更遠。

2.信息分析。收集好足夠多的信息后，就要進行信號的解碼以處理干擾。腦電信號采集過程中的干擾有很多，如工頻干擾、眼動偽跡、環境中的其他電磁干擾等。分析模型是信息解碼環節的關鍵，根據采集方式的不同，一般會有腦電圖、皮層腦電圖等模型可以協助分析。

3.再編碼。將分析后的信息進行編碼，如何編碼取決于希望做成的事情。比如控制機械臂拿起咖啡杯喂自己喝咖啡，就需要編碼成機械臂的運動信號，在復雜三維環境中準確控制物體的移動軌跡及力量控制。編碼形式也可以多種多樣，這也是腦機接口幾乎可以和任何工科學科去結合的原因。

4.反饋。人類通過感知能力（視覺、觸覺、聽覺）感受環境并且傳遞給大腦進行反饋。腦機接口實現這一步其實是非常復雜的，包括多模態感知的混合解析也是難點，因為反饋給大腦的過程可能不兼容。

腦機接口大事記

雖然聽上去很科幻，但能夠與我們的頭腦直接或間接相連的外部設備，其實早已存在。endprint

1924年，德國精神病學家漢斯·伯格（Hans Berger）發現了腦電圖。這一儀器在頭皮處感受人類腦部活動產生的生物電，并放大成可供分辨的腦電信號。從某種意義上來講，當你在接受腦電圖檢測時，你的大腦就已經與這臺龐大的機器連接在一起了。廣義上講，這也是一種腦機接口。

到20世紀90年代，美國杜克大學的米格爾·尼科爾利斯（Miguel Nicolelis）完成了對老鼠運動腦電波的初步研究后，在夜猴實驗中實現了能夠提取皮層運動神經元的信號來控制機器人手臂的實驗。

2000年后，美國布朗大學的約翰·唐納修（John Donoghue）小組實驗表明，恒河猴可通過對計算機屏幕上的光標運動控制來追蹤視覺，而猴子不需要運動肢體。

2009年，美國南加州大學的西奧多·伯格（Theodore Berger）小組研制出能夠模擬大腦海馬區功能的神經芯片，將該芯片植入大鼠腦內，便使其成為一種高級腦功能假體。該小組將這種神經芯片植入大鼠腦內，使其成為第一種高級腦功能假體。

2012年，巴西舉辦足球世界杯比賽，身著機器戰甲的截肢殘疾者，憑借腦機接口和機械外骨骼開出了一球。

2014年，華盛頓大學的研究員通過網絡傳輸腦電信號實現直接腦對腦交流。

2016年12月，美國明尼蘇達大學的賀斌團隊讓普通人在沒有被植入大腦電極的情況下，只憑借“意念”，在復雜的三維空間內實現物體控制，包括操縱機器臂抓取、放置物體和控制飛行器飛行。

2017年2月，美國斯坦福大學電氣工程教授克里希那·申奧（Krishna Shenoy）和神經外科教授詹米·亨德森（Jaimie Henderson）發表論文，宣布他們成功地讓三名受試癱瘓患者通過簡單的想象精準地控制電腦屏幕的光標，這三名癱瘓患者通過想象在電腦屏幕上輸入了他們想說的話，其中一名患者可以在1分鐘之內平均輸入39個字母。

腦機接口的挑戰

腦機接口是一門復雜的交叉學科，這種交叉學科遇到兩種挑戰：一種是工程上的挑戰，另一種是理論上的挑戰。

理論研究都在努力解決這兩個問題中的一個或兩個：第一，“從腦到機”，如何從大腦中獲取正確的信息？第二，“從機到腦”，如何將正確的信息發送到大腦？

目前來說，“從腦到機”已經取得一些研究成果，相比之下，“從機到腦”的研究要緩慢很多。原因是目前神經科學對于神經編碼的具體方式還處于未知狀態。而由“從機到腦”對神經編碼知識的需求要遠大于“從腦到機”。神經科學在單神經元的研究也算是逐漸明朗了，但大腦的各種神奇之處根本無法解釋。

工程上的難度則在于：腦機接口行業涉及的機械動力學、神經科學、認知科學、信息工程等大量學科，需要大量各個行業的人才，不能有短板。此外，工程上更大的難度還包括成本控制，即能否通過合理的流程和工藝來降低成本實現商業化。

腦機接口的商業化方向

腦機接口未來的主要應用領域將涵蓋醫療、游戲娛樂、消費電子、商業分析、軍事國防等各個行業。

醫療：主要包括幫助患者與外界交流或控制外部設備的輔助腦機接口，以及幫助患者恢復神經功能的康復腦機接口。

游戲娛樂：例如，在頭戴式VR設備上安裝腦機接口，與傳感器的輸入一起為用戶提供更好的游戲體驗。

消費電子：機器人、無人機、VR等消費電子產品可將腦機接口，特別是非侵入式腦機接口作為新的人機交互界面。

商業分析：可以幫助營銷人員獲取消費者大腦的定量信號，從而更好地了解客戶需求。

軍事國防：利用腦機接口實現大腦控制的機器人或無人機偵查、重型武器控制、軍人之間的無聲腦電交流等。

未來展望

目前，主流的消費級腦機接口研究主要運用非侵入式的腦電技術，盡管相對侵入式技術容易實現，但成本依然很高。不過，隨著人才、資本的大量涌入，非侵入式腦電技術勢必將向小型化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化發展。

而對于侵入式技術，在未來如果能解決人體排異反應及顱骨向外傳輸信息減損這兩大問題，電腦將會對人的思維意識進行實時準確識別。這一方面將有助于電腦更加了解人類大腦活動特征，以指導電腦更好地模仿人腦；另一方面可以讓電腦更好地與人協同工作。

腦機接口是連接大腦與現實世界的橋梁之一。2016年，我們已經找到了如何建造這座橋梁的方法。2017年，我們期待腦機接口給我們帶來更多的驚喜。endprint