從科幻中走來的腦機接口

本刊綜合

大腦是人體最神秘的器官，即便在科技高速發(fā)展的今天，人類對大腦的了解和認識依然十分有限，“讀懂”大腦成為一個世界性難題。

1973年，美國科學家雅克·維達爾首次提出腦機接口的概念。在這50年間，碳基生命與硅基生命的融合走出了一條呈幾何級數(shù)上揚的曲線。近年來，腦機接口更是進入技術(shù)飛速發(fā)展期，受到各界追捧。

腦機接口是一種在腦與外部設(shè)備之間建立通信和控制通道，通過腦的生物電信號直接操控外部設(shè)備，或以外部刺激調(diào)控腦的活動，從而增強、改善和延伸大腦功能的技術(shù)。本期，我們將走近硬核科技——腦機接口。

從概念到現(xiàn)實

腦機接口技術(shù)的靈感是伴隨著人類對大腦功能的探索而產(chǎn)生的。

最初，人們并沒有認識到大腦的特殊性，更不會想到它還具有思維功能。直到大約公元162年，古羅馬學者蓋倫提出，大腦才是人類思維的主要器官。隨著物理學的發(fā)展，人們對電有了初步認識。18世紀末，意大利科學家用生物電控制青蛙的肢體反應，證實了生物電可以控制動物的肢體。

19世紀，人們開始借助顯微鏡等工具觀察生物的細胞結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，大腦中的細胞似乎都帶著一根長長的纖維，這種纖維會延伸到身體的各個部位交錯成一張網(wǎng)絡(luò)。1888年，西班牙醫(yī)學家通過高爾基染色法對神經(jīng)細胞進行染色并觀察發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一個個神經(jīng)細胞組成。不久，神經(jīng)細胞被正式命名為神經(jīng)元。

神經(jīng)元的細胞膜在自然條件下存在于水介質(zhì)中。由于神經(jīng)元內(nèi)外的離子濃度各不相同，這種濃度的差異造成了細胞膜內(nèi)外的電勢差，細胞膜電位先升后降的過程被稱為“鋒電位”。

鋒電位發(fā)生在胞體和軸突的連接點附近，隨著軸突向其他神經(jīng)元傳播，其他神經(jīng)元則可通過樹突來接收。通過這種方法，由神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)扮演了生物電在人體內(nèi)通路的角色，各種刺激產(chǎn)生的信息以及大腦的各種指令都可以沿著網(wǎng)絡(luò)傳播。

人體內(nèi)的信息傳遞從根本上講，就是生物電沿神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的傳導。人類可否測量或捕捉這些信息？替代這種信息傳導模式從而控制身體的方法真的存在嗎？連通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和外部的網(wǎng)絡(luò)，直接通過意念控制器物可行嗎？對這些問題的探索，構(gòu)成了腦機接口領(lǐng)域的主要探索內(nèi)容。

技術(shù)發(fā)展線

1970年前 （理論萌芽期）

1924年，德國精神病學家漢斯·貝格爾首次記錄到人類腦部的電信號活動，并將其命名為腦電波。

1929年5月，《人類腦電圖的使用》問世，并在《精神病學檔案》發(fā)表。

1938年，美國神經(jīng)學家赫伯特·賈斯珀在寄給漢斯·貝格爾的圣誕賀卡中，暢想了從腦電波中解碼語言的可能性。這也被認作早期對腦機接口的科幻描繪。

1973年，科學家雅克·維達爾首次提出腦機接口的科學概念與設(shè)想。人類開始通過從神經(jīng)元集合中記錄信號，并使用這些信號控制外部設(shè)備，這使得腦機接口的概念范疇得以延伸。

1970—1990年（概念論證期）

1999—2019年（技術(shù)爆發(fā)期）

1999年，科學家通過解碼神經(jīng)元的發(fā)射重現(xiàn)了貓看到的圖像。此外，首屆國際腦機接口會議將腦機接口“BCI”確定為特定專業(yè)詞匯，同時確認了其科學定義和評價標準。

2005年，人類使用腦機接口成功為一名四肢癱瘓的人士提供人工手臂。

2014年，在巴西足球世界杯開幕式上，一位截癱青年身披“機械戰(zhàn)甲”開出第一腳球，展示了腦機接口技術(shù)發(fā)展的一大步。

2016年，在天宮二號和神舟十一號載人飛行中，天津大學明東團隊與中國航天員中心合作完成人類首次太空腦機交互實驗，實現(xiàn)了靜默交流。

2019年7月，神經(jīng)科技初創(chuàng)公司Neuralink發(fā)布了一款可擴展的高帶寬腦機接口系統(tǒng)。

2021年，人類成功在一只猴子體內(nèi)植入腦芯片，使猴子實現(xiàn)通過“意念”玩電子游戲。

2023年，我國成功進行了全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗，腦機接口成為全球科技競爭的高地。

2021年至今（產(chǎn)業(yè)發(fā)展期）

何為關(guān)鍵

腦機接口主要分為侵入式、非侵入式以及介入式。當前，國內(nèi)以發(fā)展非侵入式腦機接口為主，美國則以動物的侵入式實驗為主。

侵入式腦機接口的門檻較高，需在大腦中植入芯片。芯片的主要材質(zhì)是硬度最高的硅，而腦組織是人體最軟的組織之一，這兩種材質(zhì)一起“工作”就如同在豆腐上立一根針，不僅難度大，且涉及多項技術(shù)突破。避免生物學反應是侵入式腦機接口發(fā)展的關(guān)鍵，材料的缺失是有效避免生物學效應的“攔路虎”。

非侵入式腦機接口類似在大腦周圍通過設(shè)備接收衛(wèi)星信號，雖然接收面積大，但只要能較好匹配，非侵入式腦機接口的通信速率也能得到保障。

介入式腦機接口的創(chuàng)傷較侵入式腦機接口更小，信號質(zhì)量較非侵入式腦機接口更高。今年，全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京取得成功。

腦機接口設(shè)備主要為了解決兩個問題：一是接收神經(jīng)元發(fā)送的信號，并由此推斷其中包含的信息，人們可根據(jù)需要對這些信息進行再編碼并輸出；二是刺激神經(jīng)元，通過神經(jīng)元影響身體某些部位的行動。

當前，腦機接口應用正處于臨床試驗階段，還有許多技術(shù)和倫理問題尚待解決。

應用場景多樣

現(xiàn)實中，腦機接口技術(shù)可應用于諸多場景中。

場景一

在醫(yī)療方面，科學家們正致力于將腦機接口技術(shù)應用于漸凍癥、高位截癱、失語癥等嚴重的運動感知功能受損疾病，嘗試幫助患者恢復健康。

場景二

人類借助腦機接口操控外骨骼、電子眼等設(shè)備，實現(xiàn)感官和力量的增強。此外，腦機接口技術(shù)還可為老年人提供做家務(wù)、日常照料等輔助功能。

場景三

借助腦機接口技術(shù)，學生可提高學習效率，教師可實時了解學生的注意力值，并據(jù)此調(diào)整教學策略。

場景四

不同于傳統(tǒng)的手柄、手勢、語音、眼動等交互手段，腦機接口技術(shù)可不依賴肌肉和外周神經(jīng)，直接與外部設(shè)備和環(huán)境建立交互，通過腦電信號實現(xiàn)“所見即所得”。

在漫長的歷史進程中，人類一次次成功獲得了改變世界的技術(shù)。腦機接口技術(shù)走過了半個世紀的發(fā)展歷程，不斷接近人們在科幻作品中看到的未來形象。腦機智能——即腦和機的智能合一的目標或在下個50年實現(xiàn)。