腦-機接口的前沿進展

何暉光

大家提到腦-機接口，就會聯想到在黑客帝國等科幻片中出現的場景，這其實并不是天馬行空的幻想，而是基于早已有之的“腦-機接口”技術的合理設想。

要想了解腦-機接口這一概念，首先需要了解大腦的結構。大腦容量有1.3升，是宇宙中最復雜的結構，擁有1 000億個神經元，這些神經元之間形成了超過100兆（Trillion）個連接。我們可以將大腦看成是一個信息處理裝置，它創造了一切人類文明成果，包括科技和文化等。

我們來看一看以前人們是如何對大腦結構進行理解和研究的。在公元前1700年到公元前1600年，《艾德溫·史密斯紙草文稿》（Edwin Smith Papyrus）中就出現了關于大腦的記錄，比如腦膜是包裹大腦的組織等。之后隨著科學發展，羅伯特·胡克（Robert Hooke）發明了顯微鏡，觀察到了細胞。之后隨著染色技術的發展，人們利用組織學知識對腦細胞進行了進一步觀測。1796年，德國的解剖學家弗朗茲·約瑟夫·加爾（Franz Joseph Gall）提出了顱相學，認為可依據頭蓋骨的外部結構來推斷心理功能和特性。將顱骨分成不同的區域，認為不同的區域映射不同的功能，不同功能間有一定的聯系，這反映了早期人們對大腦結構和功能之間相關性的探索。

之后隨著更進一步的研究，我們開始探討大腦結構和功能之間的對應關系，相繼發現了視覺中樞、語言中樞等。例如，菲尼亞斯·蓋奇（Phineas P.Gage）25歲在美國佛蒙特州鐵路工地工作時發生意外，被鐵棍穿透頭顱，從顴骨下面進入，從眉骨上方出去，但卻依然存活。蓋奇的幸存是一個奇跡，他仍然可以說話、走路，嚴重的腦損傷似乎對他沒有什么影響。但不久以后，人們發現蓋奇的脾氣與從前大不相同了，這說明某個與控制性格相關功能的大腦結構發生了損害。

什么是腦-機接口技術

腦-機接口是建立在大腦和外部環境之間的技術，使得大腦在不依賴外周神經肌肉組織的情況下與外界進行交流。其目的一方面是腦控，將大腦活動轉換成指令，通過大腦信號的解析操作機器；另一方面是控腦，可以通過對大腦進行刺激從而提供感覺反饋或者對神經功能進行修復，如刺激大腦幫助患者康復，或者為失明老鼠的大腦“傳入視覺”使其能夠走出迷宮。

腦-機接口主要包括三個部分，首先要對腦信號進行采集和記錄，然后采用硬件和軟件對信號進行分析和處理，最后進行感知反饋，形成腦-機接口的閉環。過程中涉及多個學科，包括神經科學和機器學習等等。

以基于視覺誘發電位的打字腦-機接口為例，人在看到以不同頻率閃爍的物體時，大腦中會誘發出相應頻率的電生理響應。對鍵盤上不同的字母以不同頻率進行編碼，當人的視覺關注到某一字母時，通過解碼人的腦電信號，就能解碼出人想輸入的是哪個字母。

腦-機接口的種類

根據使用目的和實現方式，腦-機接口主要可以分為三類，第一種是主動式的，用有意識的腦活動來控制外界設備；第二種是反應式的，通過解碼大腦對外界刺激所引起的特定響應，來間接地表達出大腦意圖；還有一種是被動式的，能夠讀取用戶認知狀態變化并用于人-機交互的一類系統，它無須用戶主動控制。

根據檢測信號傳感器的安置方式，腦-機接口也可以分為三類，分別為侵入式、半侵入式和非侵入式。侵入式是指通過手術等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質量的神經信號來實現對外部設備的控制，但是卻存在著較高的安全風險和成本。非侵入式盡管精度沒有侵入式高，但其使用安全，可以廣泛應用。國內非侵入式腦-機接口技術較為先進，如清華大學腦-機接口團隊利用視覺誘發電位腦-機接口，幫助漸凍人朗讀和交流；華南理工大學利用腦-機接口對植物人的狀態進行評估。由于腦電信號是隔著顱骨傳遞的，其信號質量不如侵入式腦-機接口，要想提高非侵入式的性能，信號采集技術需要提高。

腦-機接口的應用

腦-機接口主要有以下幾方面的應用：一是功能恢復和替代，即直接控制肌肉和外部設備；另一方面是腦功能增強、重建和改善，可利用調控技術刺激大腦特定功能區來實現。

運動想象和運動執行具有相似的大腦系統模式，但是運動想象只是一種運動意圖，無任何實際動作輸出，而且這種意圖不需要外界刺激。大腦想象做不同的動作，例如，是要動左手還是右手，雙腳還是雙手，大腦的狀態是不一樣的，如果能夠區分這些不同的狀態，那就可以識別出用戶的運動意圖。這個過程不僅需要讓機器適應人，還需要人適應機器。這個系統可以用于脊髓損傷人員，他們大腦的功能區出現了損害，但是大腦仍然有可塑性。通過運動想象康復訓練系統，就可以通過大腦意圖控制機械外骨骼，而且不僅僅是簡單地控制左右，更可以精準到手腕和手肘等部位，包括可以做一些簡單的伸拉、自己喝水等日常活動，從而使康復的時間降低，進一步改善生活。這就是功能恢復和替代。

2015年，德國之翼航空公司的一架飛機墜毀。事后經過調查，發現駕駛員有心理疾病。事實上，國際民航組織對飛行員是有要求的，即必須心理健康，在開飛機前還要進行檢測，如果情緒不好（如跟家人吵架也會影響情緒）也是不能飛行的，我們要將這些隱患都消除。通常，可以通過語音和面部表情等傳統方法識別人的情緒，情緒識別腦-機接口可以與這些傳統技術相結合，進一步確保駕駛員情緒識別準確，根據識別結果可以進行預警。

腦-機接口有很好的市場應用前景，除了醫療健康和康復，還可以應用于娛樂、智能家居和軍事等領域。如通過“腦動作”玩游戲；臉書的“意念打字”腦-機接口項目，其目標是希望可以達到一分鐘打100個詞。

腦-機接口的挑戰

進行腦-機融合對于未來的智能化發展是非常有利的，在專業知識方面人工智能比人腦有優勢，比如計算、識別、推理、計劃等，但是人腦在決策、想象力、創作力、社交、情感方面比人工智能更有優勢，要實現這一技術的完美應用，還存在著很多挑戰。

一是我們對大腦工作的機制缺乏深入了解，目前對于大腦如何進行信息感知和加工處理的了解不夠透徹，這需要神經科學領域的科學家對大腦工作機制進行持續探索。二是高質量信號的采集，由于侵入式腦電信號采集代價較高，往往需要開顱手術和動物實驗，目前研究大多采用非侵入式設備，這使得我們獲取的腦電信號質量大打折扣，如何獲取高質量腦電信號是腦-機接口研究的重要挑戰之一；另一方面，也可以不局限于大腦的電信號，還可以使用近紅外等信號，進行多模態生理信號的整合，大大提高識別的準確率，從而在大腦系統和外界之間建立更好的聯系。如果可以解決最重要的信號采集工作，我們就離實際應用越來越近了。三是需要考慮如何改進算法，進一步提高意圖解碼精度。最后，還需要考慮個體差異性的問題，因為不同人的腦電模式不同，對某些人適用的腦-機接口不一定適用于其他人。遷移學習技術有望跨越人與人之間腦電模式的差異，實現對大多數人都普遍適用的腦-機接口。這對于腦-機接口技術的廣泛應用意義重大。

當然，當新技術用在人身上的時候一定會引起很多爭議。如果將腦-機接口用在殘疾人身上，可以彌補他的缺陷；如果用在正常人身上，那就會帶來人與人之間的能力差異，這就帶來了人工智能的倫理問題。人工智能的倫理方面有幾個關鍵點，即不僅要公平、可靠、安全，而且還要保護隱私，具有透明性和可解釋性。如機器人不得傷害人類，必須保證是安全的，而且還要服從人類的命令。近期一家腦-機接口公司將技術在課堂上運用，引起了很大的爭議。因為其中涉及很多隱私問題，你的想法可能會被人利用腦-機接口技術“偷走”。我們也要避免出現科幻電影中機器操縱人腦，人類按照別人的意志去行動的情況。因此這項技術運用的邊界在哪里，目前還在探討階段。

未來，通過記憶芯片進行記憶的植入和提取，或是通過人工感知達到傳感器、芯片與大腦高度合作，我們將實現人類能力的增強，包括恢復殘疾人的感知能力，擴展正常人的感知，最終實現腦-機一體，達到腦-機共融的未來。