當大腦連上計算機

善行無跡

看過《攻殼機動隊》《黑客帝國》《環太平洋》的同學一定對其中的腦控技術印象深刻。通過對大腦神經信號的解碼和編碼，主人公或穿梭于真實和虛擬的兩個世界，或操縱機甲外骨骼戰斗。這些炫目的科技雖然各不相同，但無—例外都是依賴于對我們大腦功能的解讀和發展。大腦作為我們人體的CPU，負責接收和處理所有內部和外部信息，并發出指令控制我們的行動。相比其他生命體，人類的大腦如此強大，以至于很多時候我們都“心”有余而“力”不足。而腦機接口的產生就是為了克服人類的身體限制，或者彌補機能缺陷或者增強人體功能。

腦機接口技術簡稱BCI或BMI，是指在大腦和外部設備之間創建直連通路，通過對大腦特定區域和功能的解碼，和外部設備進行信息交換。通過對大腦信號的記錄和翻譯，我們不僅能真正實現“讀心術”，甚至能夠讓肢體殘缺的人重新奔跑，讓普通人成為“超人”。

研究者的水晶球

就像西方的巫師通過水晶球可以窺測內心的秘密，腦機接口技術就是科學家們解讀大腦的利器。自從人類意識到大腦中的信息加工和傳遞其實是神經元的電活動，研究者們就開始嘗試解碼大腦信號，深入理解大腦工作的本質。曾獲得1981年諾貝爾生理及醫學獎的哈貝爾教授與韋塞爾教授早在20世紀50年代開始，就通過記錄貓的視覺皮層神經細胞，發現視皮層細胞能夠對外界視覺刺激的不同特征產生偏好反應，至此神經科學揭開了新的篇章。五色奪人目，音律醉人耳，美味沁之心脾，現代神經科學研究告訴我們這些無非是大腦產生的電信號而已。正如《黑客帝國》中展示的虛擬世界，什么是真實？真實就是能夠給我們大腦帶來相應知覺體驗的神經活動。既然我們對外界的刺激能夠用不同的神經元發放模式來編碼，那么如果我們能夠“讀取”并且“翻譯”出神經元攜帶的這些信息，不就能夠知道大腦在“想”什么了嗎？反過來我們還可以通過人工編碼神經信息讓大腦直接“看到”或者“聽到”。

到了20世紀70年代，研究人員就利用電生理技術（Electrophysiology）嘗試將獼猴運動神經元的電信號記錄下來，并成功讓獼猴學會操作機械手臂，這就是腦機接口的雛形。在單向腦機接口情況下，信號只能由外部傳入大腦（編碼），或者由大腦傳輸給外部設備（解碼）。而對于雙向腦機接口，信息可以在大腦和外部設備間同時雙向交換。相對于單向腦機接口，雙向接口具備了一個閉環回路的基本條件，并能夠通過閉環反饋對大腦或者外部設備進行優化配置。通過這種方式，未來我們不但可以通過意念操作外部設備，而且還可以通過直接向大腦輸送信息來學習掌握知識。

“打開心扉”之路

隨著神經科學技術的發展，在21世紀初，美國杜克大學和布朗大學的研究人員已經能夠采用更先進的多電極陣列同時記錄獼猴運動皮層的若干個神經元電信號，并且成功地預測了獼猴的運動軌跡。這些研究為下一步直接利用大腦信號操作外部設備提供了實驗和技術基礎。盡管目前研究人員有各種技術手段來采集和分析大腦信號，但是大部分技術只能夠應用到動物研究和離體細胞研究中，一旦要應用到人的身上就會牽涉到各種技術和倫理方面的問題。這種侵入式腦機接口需要把記錄或刺激電極植入到大腦中，以獲得高質量的神經信號，但缺點是會引發免疫反應和產生疤痕組織，不能長時間使用。

另一種神經信號記錄方式是被稱為皮層電極（Electrocorticography，ECoG）的半侵入技術，它將電極本身覆蓋在大腦皮層表面，盡管仍需要開顱但不會對大腦本身造成損傷。目前ECoG被較多地用于大腦損傷病人的臨床研究中。相比侵入性電極，其缺點是定位不夠精確，并且對于大腦深部的結構無能為力。而非侵入式記錄方式則不需要開顱，只需要將電極貼在頭皮上進行記錄，比如腦電（Electroencephalogram，EEG），近紅外成像（functional near-infrared spectroscopy，fnir）。目前非侵入性腦機接口技術廣泛地用于科研中，雖然有無損傷和穿戴方便的優勢，但是信噪比低，容易受到各種干擾。

雙刃劍

大家也許還覺得腦機接口似乎和我們普通人相距甚遠。其實一些初級的腦機接口技術已經開始應用于醫療和康復訓練當中。一些研究已經將機械義肢和神經科學相結合，通過大腦信號控制機械臂來幫助殘障人士恢復正常功能。隨著腦機接口技術的發展，技術已經不僅僅是唯一的障礙，帶來的倫理問題也顯而易見。人們擔心腦機接口的存在會成為黑客或者政府入侵大腦的后門，未來個人隱私如何保障，是否會成為精神控制的新型犯罪。

從廣義的角度來看，所謂的腦機接口其實就是擴展大腦功能，延伸身體極限的活動或者裝置。早在人類原始社會，我們的祖先就用打繩結記事這種簡單粗陋的方式來擴展大腦的功能。正因為大腦的記憶能力有限，我們發明了各種方式來幫助我們記憶海量的信息，從粗糙的打繩結記事到后來的書寫繪畫，再到當今的手機電腦，其實都是在利用工具擴展我們大腦的記憶容量，增強大腦的各種功能。筆記本電腦、硬盤、手機并不僅僅是一部機器，同時也是我們大腦的一部分。通過“無線連接”（視覺聽覺）使我們能夠輕松地管理各種信息。然而過分依賴這些增強大腦記憶容量的外部設備，反而削弱了大腦的能力。回想手機出現之前，我們還多少能夠記住幾個重要電話號碼，但現在我們又能隨口報出幾個常用電話號碼呢？交通工具的迅猛發展在方便出行的同時又導致現代人的體力持續下降。這種生活方式的進化反而導致了某種意義上的退化，那么未來隨著腦機接口技術的發展，本意為了拓展大腦功能的技術，是否反而會成為束縛人類生活的枷鎖呢？我們拭目以待。