腦-機接口的前沿進展

何暉光

大家提到腦-機接口，就會聯(lián)想到在黑客帝國等科幻片中出現(xiàn)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(jīng)元，這些神經(jīng)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(chuàng)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(xiàn)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(fā)展，羅伯特·胡克（Robert Hooke）發(fā)明了顯微鏡，觀察到了細胞。之后隨著染色技術的發(fā)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(jù)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(qū)域，認為不同的區(qū)域映射不同的功能，不同功能間有一定的聯(lián)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(huán)境之間的技術，使得大腦在不依賴外周神經(jīng)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(jīng)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(huán)。過程中涉及多個學科，包括神經(jīng)科學和機器學習等等。

以基于視覺誘發(fā)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(fā)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(jù)使用目的和實現(xiàn)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(tài)變化并用于人-機交互的一類系統(tǒng)，它無須用戶主動控制。

根據(jù)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(zhì)量的神經(jīng)信號來實現(xiàn)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(nèi)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(fā)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(tài)進行評估。由于腦電信號是隔著顱骨傳遞的，其信號質(zhì)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(diào)控技術刺激大腦特定功能區(qū)來實現(xiàn)。

運動想象和運動執(zhí)行具有相似的大腦系統(tǒng)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(tài)是不一樣的，如果能夠區(qū)分這些不同的狀態(tài)，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(tǒng)可以用于脊髓損傷人員，他們大腦的功能區(qū)出現(xiàn)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(tǒng)，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(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)方法識別人的情緒，情緒識別腦-機接口可以與這些傳統(tǒng)技術相結合，進一步確保駕駛員情緒識別準確，根據(jù)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(yī)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(zhàn)

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

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(jīng)科學領域的科學家對大腦工作機制進行持續(xù)探索。二是高質(zhì)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(zhì)量大打折扣，如何獲取高質(zhì)量腦電信號是腦-機接口研究的重要挑戰(zhàn)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(tài)生理信號的整合，大大提高識別的準確率，從而在大腦系統(tǒng)和外界之間建立更好的聯(lián)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(xiàn)對大多數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)腦-機一體，達到腦-機共融的未來。