腦機(jī)接口：打開神經(jīng)控制的黑箱

王偉

隨著技術(shù)的不斷完善和多學(xué)科融合的努力，腦機(jī)接口必將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實，造福人類。

2016年，相比火爆到不行的人工智能、VR、AR，腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，簡稱BCI）技術(shù)稍顯冷門，大家普遍認(rèn)為這項技術(shù)太科幻，離進(jìn)入日常生活非常遙遠(yuǎn)。然而，在已經(jīng)過去的一年，腦機(jī)接口領(lǐng)域的進(jìn)展給我們帶來了太多驚喜。一只猴子利用腦機(jī)接口技術(shù)在一分鐘內(nèi)敲打出莎士比亞的經(jīng)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(jī)接口技術(shù)從實驗室?guī)氲郊彝ブ?，在無需任何協(xié)助下實現(xiàn)了與他人的思想交流。完全癱瘓的男子利用腦機(jī)接口控制機(jī)械假肢和奧巴馬握了個手。腦機(jī)接口逐漸受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

腦部是人類的神經(jīng)中樞。作為人體最重要的器官之一，它承擔(dān)著維系人類生存的基本任務(wù)。與此同時，幾乎所有的高級神經(jīng)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(yùn)算核心。普通電腦可以通過外接硬盤、外接顯卡、外接內(nèi)存等方法提高性能，所以有 科學(xué)家認(rèn)為，這樣的“改良”同樣可以適用于人腦。這種觀點的產(chǎn)生，最終形成了研發(fā)腦機(jī)接口的動力。

什么是腦機(jī)接口

腦機(jī)接口是指創(chuàng)建在人類或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間的直接連接通路。在該定義中，“腦”指的是有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是抽象的心智或情感?！皺C(jī)”意指任何處理或計算的設(shè)備，其形式可以是簡單電路、硅芯片或外部設(shè)備?！敖涌凇奔础坝糜谛畔⒔粨Q的中介物”。腦機(jī)接口是一門多學(xué)科交叉技術(shù)，核心的學(xué)科涉及認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)工程、神經(jīng)科學(xué)等。

可以預(yù)料，當(dāng)這一技術(shù)發(fā)展到一定程度，人們就能夠通過“外掛”外部設(shè)備的方式，來提高生物體腦部的運(yùn)算能力，研發(fā)出一個足夠強(qiáng)大的腦機(jī)接口，治愈人類的腦部疾病，并賦予人腦更強(qiáng)大的功能。

未來，甚至有望實現(xiàn)恢復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)槿祟惛兄芰Γ热鐚τ诔暡ǖ母兄芰Γň拖駨尿鹕砩汐@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(jī)接口作為一種全新的控制和交流方式，還可以應(yīng)用到更廣闊的腦機(jī)融合領(lǐng)域，就是所謂的硅基生物和碳基生物的融合，打造超強(qiáng)人類，讓人腦進(jìn)一步自然延伸。

腦機(jī)接口的發(fā)展對腦電的機(jī)理、腦認(rèn)知、腦康復(fù)、信號處理、模式識別、芯片技術(shù)、計算技術(shù)等各個領(lǐng)域都提出了新的要求，人們也會大大加深對大腦的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識。

腦機(jī)接口技術(shù)的實現(xiàn)步驟

腦機(jī)接口的實現(xiàn)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(jī)接口的劃分形式一般以信息采集方式為標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)接口通常是直接植入到大腦的灰質(zhì)，因而所獲取的神經(jīng)信號質(zhì)量比較高。但其缺點是容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤痕），進(jìn)而導(dǎo)致信號質(zhì)量的衰退甚至消失。侵入式腦機(jī)接口獲取的信號是直接的神經(jīng)信號。目前，這種設(shè)備主要在治療中使用，如科學(xué)家利用侵入式腦機(jī)接口重建病人的特殊感覺，恢復(fù)癱瘓病人的運(yùn)動功能。

成功案例來自一位名為威廉·多貝爾（William Dobelle）的科學(xué)家。1978年，多貝爾在一位盲人的腦內(nèi)植入了68個電極組成的陣列，這一嘗試使得盲人產(chǎn)生了光幻視（又稱眼內(nèi)閃光，是視網(wǎng)膜受到刺激時產(chǎn)生的感覺）。在隨后的調(diào)試中，接受這種治療的盲人能夠在有限的視野內(nèi)看到低分辨率、低刷新率的點陣圖像。2002年，接受新一代系統(tǒng)治療的患者恢復(fù)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(fù)運(yùn)動功能方面，腦機(jī)接口研究也取得了顯著的進(jìn)展。

（2）半侵入式：接口一般被植入到顱腔內(nèi)，但是位于灰質(zhì)外，其空間分辨率不如侵入式腦機(jī)接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應(yīng)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(guī)腦電圖相似的電極直接植入大腦皮層。美國華盛頓大學(xué)的科學(xué)家曾利用這項技術(shù)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(xiàn)超過一維的運(yùn)動很困難。

（3）非侵入式：接口不進(jìn)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(jīng)元發(fā)出電磁波的分散和模糊效應(yīng)，記錄到信號的分辨率并不高，很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關(guān)的單個神經(jīng)元的放電。

腦電圖就是其中最典型的應(yīng)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(jī)接口的例子。目前，非侵入式腦機(jī)接口的應(yīng)用主要是收集人類腦部活動數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，而反向利用這些腦機(jī)接口作用于人腦進(jìn)行治療的嘗試并不多。德國圖賓根大學(xué)的科學(xué)家在20世紀(jì)90年代曾利用腦電圖對癱瘓患者進(jìn)行治療，但受限于腦電圖易受噪音干擾以及難于學(xué)習(xí)的特性，這一技術(shù)最終并未在治療領(lǐng)域走得更遠(yuǎn)。

2.信息分析。收集好足夠多的信息后，就要進(jìn)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(huán)境中的其他電磁干擾等。分析模型是信息解碼環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，根據(jù)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(xié)助分析。

3.再編碼。將分析后的信息進(jìn)行編碼，如何編碼取決于希望做成的事情。比如控制機(jī)械臂拿起咖啡杯喂自己喝咖啡，就需要編碼成機(jī)械臂的運(yùn)動信號，在復(fù)雜三維環(huán)境中準(zhǔn)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(jī)接口幾乎可以和任何工科學(xué)科去結(jié)合的原因。

4.反饋。人類通過感知能力（視覺、觸覺、聽覺）感受環(huán)境并且傳遞給大腦進(jìn)行反饋。腦機(jī)接口實現(xiàn)這一步其實是非常復(fù)雜的，包括多模態(tài)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(jī)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(shè)備，其實早已存在。endprint

1924年，德國精神病學(xué)家漢斯·伯格（Hans Berger）發(fā)現(xiàn)了腦電圖。這一儀器在頭皮處感受人類腦部活動產(chǎn)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(dāng)你在接受腦電圖檢測時，你的大腦就已經(jīng)與這臺龐大的機(jī)器連接在一起了。廣義上講，這也是一種腦機(jī)接口。

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

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

2009年，美國南加州大學(xué)的西奧多·伯格（Theodore Berger）小組研制出能夠模擬大腦海馬區(qū)功能的神經(jīng)芯片，將該芯片植入大鼠腦內(nèi)，便使其成為一種高級腦功能假體。該小組將這種神經(jīng)芯片植入大鼠腦內(nèi)，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(jī)器戰(zhàn)甲的截肢殘疾者，憑借腦機(jī)接口和機(jī)械外骨骼開出了一球。

2014年，華盛頓大學(xué)的研究員通過網(wǎng)絡(luò)傳輸腦電信號實現(xiàn)直接腦對腦交流。

2016年12月，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的賀斌團(tuán)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(fù)雜的三維空間內(nèi)實現(xiàn)物體控制，包括操縱機(jī)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(xué)電氣工程教授克里希那·申奧（Krishna Shenoy）和神經(jīng)外科教授詹米·亨德森（Jaimie Henderson）發(fā)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(zhǔn)地控制電腦屏幕的光標(biāo)，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(nèi)平均輸入39個字母。

腦機(jī)接口的挑戰(zhàn)

腦機(jī)接口是一門復(fù)雜的交叉學(xué)科，這種交叉學(xué)科遇到兩種挑戰(zhàn)：一種是工程上的挑戰(zhàn)，另一種是理論上的挑戰(zhàn)。

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(jī)”，如何從大腦中獲取正確的信息？第二，“從機(jī)到腦”，如何將正確的信息發(fā)送到大腦？

目前來說，“從腦到機(jī)”已經(jīng)取得一些研究成果，相比之下，“從機(jī)到腦”的研究要緩慢很多。原因是目前神經(jīng)科學(xué)對于神經(jīng)編碼的具體方式還處于未知狀態(tài)。而由“從機(jī)到腦”對神經(jīng)編碼知識的需求要遠(yuǎn)大于“從腦到機(jī)”。神經(jīng)科學(xué)在單神經(jīng)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(jī)接口行業(yè)涉及的機(jī)械動力學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息工程等大量學(xué)科，需要大量各個行業(yè)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(xiàn)商業(yè)化。

腦機(jī)接口的商業(yè)化方向

腦機(jī)接口未來的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒑w醫(yī)療、游戲娛樂、消費(fèi)電子、商業(yè)分析、軍事國防等各個行業(yè)。

醫(yī)療：主要包括幫助患者與外界交流或控制外部設(shè)備的輔助腦機(jī)接口，以及幫助患者恢復(fù)神經(jīng)功能的康復(fù)腦機(jī)接口。

游戲娛樂：例如，在頭戴式VR設(shè)備上安裝腦機(jī)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(fèi)電子：機(jī)器人、無人機(jī)、VR等消費(fèi)電子產(chǎn)品可將腦機(jī)接口，特別是非侵入式腦機(jī)接口作為新的人機(jī)交互界面。

商業(yè)分析：可以幫助營銷人員獲取消費(fèi)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(jī)接口實現(xiàn)大腦控制的機(jī)器人或無人機(jī)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(fèi)級腦機(jī)接口研究主要運(yùn)用非侵入式的腦電技術(shù)，盡管相對侵入式技術(shù)容易實現(xiàn)，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(shù)勢必將向小型化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化發(fā)展。

而對于侵入式技術(shù)，在未來如果能解決人體排異反應(yīng)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(jìn)行實時準(zhǔn)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(dǎo)電腦更好地模仿人腦；另一方面可以讓電腦更好地與人協(xié)同工作。

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