腦機(jī)接口技術(shù)

顧凡及

腦機(jī)接口作為從1970年代開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，正越來越普遍地造福于肢體癱瘓等的患者，并且應(yīng)用于娛樂、教育、日常生活等領(lǐng)域。它使腦和神經(jīng)的信號檢測技術(shù)轉(zhuǎn)向消費(fèi)市場，有著十分光明的前景。

2014年在巴西圣保羅的世界杯足球賽開幕式上，29歲的下肢癱瘓病人平托（J.Pinto）穿戴了由腦信號控制的外骨骼，上場一腳開始比賽。消息馬上傳遍全球，腦機(jī)接口這一科學(xué)術(shù)語也因此進(jìn)入千家萬戶。

什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口的英文為brain-computer interface（BCI）或者brain-machine interface（BMI），指在腦和外部設(shè)備之間建立起來的直接通訊通道。人們常把腦機(jī)接口用于研究、替代、輔助、增強(qiáng)、改善或修復(fù)人的認(rèn)知功能或感覺一運(yùn)動功能。一般認(rèn)為腦機(jī)接口須滿足4個條件：其工作依靠對腦活動的直接測量；結(jié)果反饋給使用者；實(shí)時運(yùn)作；依賴于有意識的控制。

腦機(jī)接口這一術(shù)語首先是在1970年代由比利時裔美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家維達(dá)爾（J.J.Vidal）提出，他利用視覺誘發(fā)電位控制光標(biāo)的移動方向。此后研究主要集中在神經(jīng)假體的應(yīng)用研究方面，其目的是幫助病人恢復(fù)部分聽覺、視覺和運(yùn)動能力。這一方向由于其在臨床應(yīng)用上的重要性，已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——神經(jīng)假體學(xué)（neuroprosthetics）。腦機(jī)接口研究開始時采用動物實(shí)驗(yàn)，直到1990年代中葉才第一次在病人身上植入神經(jīng)假體。這方面應(yīng)用最廣的首推人工耳蝸（仿生耳），其次是人工視網(wǎng)膜（仿生眼）。截至2010年年底，全世界已經(jīng)有22萬失聰病人植入了人工耳蝸。

動物研究

1980年代，希臘裔美國神經(jīng)科學(xué)家喬戈普洛斯（A.Georgopoulos）發(fā)現(xiàn)猴子通過腦內(nèi)一群神經(jīng)細(xì)胞的集體活動控制其手的運(yùn)動方向，這是一種群體編碼，為后來有創(chuàng)腦機(jī)接口控制機(jī)器人假肢的研究奠定了基礎(chǔ)。不過真正通過記錄腦內(nèi)一群神經(jīng)元的活動控制機(jī)器人假肢，則是1990年代中期以后的事。目前國際上有好幾個實(shí)驗(yàn)室在開展這方面工作，尤以巴西裔的美國神經(jīng)科學(xué)家尼科萊利斯（M.Nicolelis）最為著名，本文一開始描寫的世界杯足球賽上開球的癱瘓病人所用的腦機(jī)接口，就是他的研究成果。

1989年尼科萊利斯從巴西來到美國的哈內(nèi)曼大學(xué)（Hahnemann University），作為博士后參加蔡平（J.Chapin）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。蔡平研究怎樣同時記錄12處腦細(xì)胞的活動已經(jīng)有10年了。他們最終在大鼠腦上得到了多電極記錄。他們發(fā)現(xiàn)，即使是最簡單的一個動作，例如大鼠把某根觸須動一下，也需要散布在腦內(nèi)很多地方的神經(jīng)元協(xié)同活動。

在研究初期，人們曾認(rèn)為指揮某個特定動作的是一小群特定神經(jīng)元，但要找到究竟是哪些特定的神經(jīng)元猶如大海撈針。蔡平和尼科萊利斯的發(fā)現(xiàn)解決了這個難題：人們不再需要為每個動作都去尋找一小群特殊的神經(jīng)元，現(xiàn)在要做的是同時檢測散布在關(guān)鍵腦區(qū)中各處的一群代表神經(jīng)元的活動。他們在大鼠腦內(nèi)插入電極，同時檢測46個神經(jīng)元的活動。他們訓(xùn)練大鼠學(xué)會壓動一根杠桿而取到水喝，同時記錄大鼠動“手”時的信號模式。然后他們斷開杠桿和給水裝置之間的連接，因此壓動杠桿不再有用。剛開始時，大鼠還是不斷壓動杠桿。雖然壓杠桿已經(jīng)沒有用了，但是科學(xué)家會在大鼠腦中一出現(xiàn)壓動杠桿的命令信號時，就獎賞給它水喝。過了一陣子，大鼠就發(fā)現(xiàn)沒有必要再去壓杠桿，它只要在頭腦里想著喝水，就可以得到水喝。

取得此項(xiàng)突破之后不久，尼科萊利斯在杜克大學(xué)（Duke University）得到一個職位，建立了一個新的實(shí)驗(yàn)室。這次他們選取猴子作為實(shí)驗(yàn)動物，以便控制更復(fù)雜的行為。剛開始時是訓(xùn)練猴子通過操縱桿移動計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)，去捕捉出現(xiàn)于屏幕某處的圓形目標(biāo)，并在猴腦頂葉、額葉和運(yùn)動命令有關(guān)的腦區(qū)插入電極，以記錄神經(jīng)元的活動，同時記錄猴子手的相應(yīng)活動的信號，并把手的運(yùn)動信號和手運(yùn)動前一秒內(nèi)腦的電活動信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以找出它們之間的關(guān)系，從而找出一種算法，可以根據(jù)腦內(nèi)的電信號算出運(yùn)動指令。一旦計(jì)算機(jī)完成了這樣的分析，研究人員就可以用腦信號直接合成運(yùn)動命令信號去操控機(jī)械臂，由此移動計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)，而無需猴子直接用手來操控操縱桿。這時實(shí)驗(yàn)人員悄悄地把操縱桿拿走，猴子依然想移動光標(biāo)去捕捉屏幕上的目標(biāo)以取得獎勵。在一開始時猴子有點(diǎn)不知所措。開頭幾分鐘，它甚至想用手抓光標(biāo)讓它動起來，但是這沒有用。在經(jīng)過了初始的一段猶豫不決和犯了少量錯誤之后，由于算法能根據(jù)猴子的腦信號算出運(yùn)動命令去移動光標(biāo)，因此猴子可以看到光標(biāo)仍然在屏幕上移動，如果光標(biāo)移動正確，猴子就會得到果汁作為獎勵。這樣，猴子不用動手，只要想想就可以移動屏幕上的光標(biāo)了。下一步是當(dāng)光標(biāo)停留在某處時，要求猴子捏緊操縱桿，操縱桿上有傳感器可以測量猴子用力的程度，并轉(zhuǎn)化為光標(biāo)的大小。猴子通過觀察光標(biāo)的大小變化，又學(xué)會了應(yīng)該用多少力才能得到獎勵。和前面類似，最后猴子不必真的用手去捏，而只要想想就可以實(shí)現(xiàn)了。要使猴子學(xué)會這一切，猴子需要得到感覺反饋，知道自己的命令有沒有被忠實(shí)執(zhí)行。由于觸覺反饋比較難實(shí)現(xiàn)，因此他們給猴子以視覺反饋，即在屏幕上看到這種運(yùn)動。在正常情況下，從有運(yùn)動命令開始到肢體實(shí)際運(yùn)動之間的時間約為200～300毫秒，所以這種反饋必須在大致為如此短的一段時間里實(shí)現(xiàn)，這給開發(fā)運(yùn)動命令程序增加了困難，但他們還是做到了。

2008年1月10日，尼科萊利斯實(shí)驗(yàn)室根據(jù)猴子依多亞（Idoya）的腦信號驅(qū)動了遠(yuǎn)在日本京都的一臺名為“計(jì)算的腦”的機(jī)器人穩(wěn)步行走，成為轟動一時的新聞。

和以前一樣，科學(xué)家在依多亞大腦運(yùn)動區(qū)和輔助運(yùn)動區(qū)里埋藏了許多很小的電極，可以同時記錄250～300個神經(jīng)元的活動。有的神經(jīng)元在猴子的踝部、膝部或者臀部運(yùn)動時活躍起來，有的則在它的腳碰到地面時才活躍，還有一些則在實(shí)際運(yùn)動將要發(fā)生之前就活躍起來。做實(shí)驗(yàn)時，先訓(xùn)練依多亞在跑步機(jī)上行走，要它學(xué)會用前肢扶著跑步機(jī)前面的橫桿，直立著僅用后腿行走，有時前進(jìn)，有時后退；有時加快，有時放慢。這對猴子來說雖然有困難，但還是學(xué)會了。除了同時記錄神經(jīng)元的活動以外，還在它的踝部、膝部和臀部涂上化妝用的熒光油彩，并且用高速攝像機(jī)把它的運(yùn)動記錄下來。通過對神經(jīng)元活動和運(yùn)動影像這兩種資料的對照分析，科學(xué)家僅僅根據(jù)神經(jīng)元的活動，就可以提前三四秒并以90%的精確度，預(yù)測依多亞的腿會怎樣動。

2008年1月一個寒冷的早晨，實(shí)驗(yàn)正式開始。記錄到的數(shù)據(jù)通過高速互聯(lián)網(wǎng)源源不斷地輸送到半個地球之外的機(jī)器人“計(jì)算的腦”。依多亞面前放了一塊很大的電視屏幕，可以看到機(jī)器人腿的后影。依多亞的任務(wù)是通過自己大腦的活動，使機(jī)器人穩(wěn)步行走。如果依多亞能讓機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動和自己對應(yīng)的關(guān)節(jié)活動同步，就給予獎勵。人們屏住呼吸注視著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)依多亞開步走的時候，“計(jì)算的腦”也邁開了同樣的步伐。依多亞的大腦信號傳給了機(jī)器人，而機(jī)器人行走的影像又傳回給依多亞，兩者在時間上只能差1/4秒左右，這無疑在技術(shù)上要求很高，但研究人員做到了。過了一小時，研究人員給依多亞出了道難題，他們突然讓跑步機(jī)停下來，看看依多亞會怎么辦。尼科萊利斯后來回憶說：“它的眼睛還是盯著機(jī)器人的腿?！倍鴻C(jī)器人又繼續(xù)走了3分鐘。當(dāng)依多亞的大腦信號使機(jī)器人行走時，依多亞大腦里有的神經(jīng)元控制自己的腿，有的神經(jīng)元則控制機(jī)器人的腿。經(jīng)過一個小時的練習(xí)和視覺反饋以后，控制機(jī)器人腿的神經(jīng)元活動和機(jī)器人的腿已經(jīng)配合得很好了。為什么能做到這些？尼科萊利斯說：“我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)說明腦是一直在變化的，并且它的變化方式是我所未能料到的，只要幾分鐘的時間。”猴子在接受訓(xùn)練時，腦內(nèi)神經(jīng)元的發(fā)放模式不斷發(fā)生變化，有越來越多神經(jīng)元參加進(jìn)來。而且只有當(dāng)猴子直接用腦而不是通過操縱桿去控制機(jī)器人時，有些特殊的神經(jīng)元群才開始活動。當(dāng)斷開操縱桿和機(jī)器人的連接時，這些神經(jīng)元馬上就開始活動起來。尼科萊利斯認(rèn)為：“腦把機(jī)器人也當(dāng)成了自己身體的一部分。它在運(yùn)動皮層的不同區(qū)域建立起機(jī)器人的代表區(qū)?！闭菑倪@些區(qū)域發(fā)出了讓機(jī)器人運(yùn)動的命令。

除了尼科萊利斯的實(shí)驗(yàn)室以外，美國布朗大學(xué)的多諾霍（J.Donoghue）、匹茲堡大學(xué)的施瓦茨（A.Schwartz）和加利福尼亞理工學(xué)院的安德森（R.Andersen）等人也開展了這方面的研究，而為了實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器手，他們甚至只要記錄15～30個神經(jīng)元就行了。

施瓦茨實(shí)驗(yàn)室讓這種由猴腦內(nèi)神經(jīng)元活動所控制的機(jī)械手為自己取食。機(jī)械手可以環(huán)繞肩部和肘部轉(zhuǎn)動，還能把手張開和緊握。首先，他們訓(xùn)練猴子用操縱桿控制機(jī)械手為自己取食，并記錄腦內(nèi)大約100個神經(jīng)元的活動。一旦猴子學(xué)會這樣取食以后，他們就把猴子的手綁起來，只通過腦細(xì)胞的活動去控制機(jī)械手。經(jīng)過訓(xùn)練以后，猴子甚至能讓機(jī)械手繞過障礙物去取食物。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者故意挪動食物時，猴子也能夠調(diào)整機(jī)械手去取。這樣做的成功率達(dá)到61%。臨床應(yīng)用

有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)一般通過腦外科手術(shù)把電極直接埋置在腦內(nèi)，因此能高質(zhì)量地記錄腦的神經(jīng)信號，不過也因此會產(chǎn)生瘢痕組織，從而使信號逐漸變?nèi)跻灾磷詈笙А?/p>

在非先天性盲人的復(fù)明方面，最早的一個神經(jīng)假體是由美國科學(xué)家多貝爾（w.Dobelle）1978年在一位名叫杰里（Jerry）的患者視皮層中植入的68根電極，它們接收來自安裝在眼睛上的攝像機(jī)的信號以刺激腦。這在開始時只能使患者產(chǎn)生光感，后來才能使他獨(dú)立地完成一些簡單任務(wù)。

從2002年開始，多貝爾給16名患者安裝了他的第二代裝置。他的第一位主顧瑙曼（J.Naumann）在被植入該裝置以后可以在研究所的停車場內(nèi)非常慢地開車。不幸的是多貝爾于2004年英年早逝，以致后來當(dāng)他的患者們視覺上又出現(xiàn)問題時，就找不到人“報(bào)修”了。

在幫助癱瘓病人恢復(fù)部分運(yùn)動功能方面，最早的腦機(jī)接口工作可能要數(shù)美國科學(xué)家肯尼迪（P.Kennedy）和巴凱（R.Bakay）了。1997年12月的一個晚上，他們的病人約翰尼·雷（Johnny Ray）突然腦干中風(fēng)。盡管雷的神志還很清醒，但是他既不能說也不能動，連呼吸都要通過插管來維持。1998年3月，他們在雷的運(yùn)動皮層左手代表區(qū)安置了兩個電極，當(dāng)雷想象用癱瘓了的左手動作時，其代表區(qū)內(nèi)的電活動會增強(qiáng)，利用電極接收到的信號來操作計(jì)算機(jī)屏幕上光標(biāo)的上下左右移動。在計(jì)算機(jī)的屏幕上有12個圖標(biāo)，分別代表“請幫忙”“我疼”“不舒服”等。雷注視屏幕，并想象用自己左手把光標(biāo)移到所想要表達(dá)的圖標(biāo)上去，一旦光標(biāo)到達(dá)目的地，就有一個發(fā)聲程序把他想說的話講出來。由于雷還殘留一點(diǎn)收縮左肩肌肉的能力，醫(yī)生就利用這一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊功能，這樣科學(xué)家就編制了一個打字程序，讓他可以在屏幕上拼寫自己想說的話。經(jīng)過幾個月訓(xùn)練之后，雷終于在屏幕上拼出了自己的部分名字“JOHN”（約翰）。又過了幾個月，他能做到每分鐘拼寫3個字母。就這樣經(jīng)過了相當(dāng)長一段時間訓(xùn)練之后，醫(yī)生問他這樣做的時候感覺如何，他說“沒什么”。實(shí)際上，雷此時已經(jīng)可以跳過在想象里用左手搬動光標(biāo)的中間過程，他只要想移動光標(biāo)，光標(biāo)就動了，光標(biāo)好像變成了他身體的一部分。

2004年美國神經(jīng)外科醫(yī)生弗里斯（G.Friehs）在一位由于受到襲擊而四肢癱瘓的病人內(nèi)格爾（M.Nagle）的大腦右中央前回（手臂運(yùn)動的皮層）植入了一副有96根電極的腦機(jī)接口，其接線通過顱骨連接到一臺計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過訓(xùn)練可以識別他運(yùn)動時的腦信號模式，由此控制外部設(shè)備。這樣，只要他想著移動自己的手，就可以挪動計(jì)算機(jī)光標(biāo)、開燈和打開電視機(jī)。這副裝置工作了大概一年。

近年來美國的一些大學(xué)和美國退伍軍人事務(wù)部合作，又開發(fā)了一些植入四肢癱瘓病人運(yùn)動皮層區(qū)的新的腦機(jī)接口，使病人得以更好地直接控制假肢。

部分有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)是把腦機(jī)接口植入顱內(nèi)腦外，而不是直接植入腦內(nèi)。這樣就減少了直接植入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織的風(fēng)險(xiǎn)，因此信號的長期穩(wěn)定性較好，安全風(fēng)險(xiǎn)也比較??；而在另一方面，比起無創(chuàng)腦機(jī)接口來，信號的空間分辨率和信噪比也都較高。這種技術(shù)的電極被置于一個很薄的塑料層中而放到硬腦膜之下、腦皮層之上.這樣檢測到的腦電信號稱為皮層腦電圖（ECOG）。

2004年美國科學(xué)家勒薩特（E.Leuthardt）和莫蘭（D.Moran）首先對一位男性少年使用了這一技術(shù)，病人由此可以玩電子游戲。這一技術(shù)掌握迅速、訓(xùn)練次數(shù)也較少，是信號可靠性和創(chuàng)傷程度之間一種比較合適的折中。不過這位并不是癱瘓病人，而是得了嚴(yán)重的癲癇。醫(yī)生為找到病灶而臨時性地埋藏了電極，并順便得出了這些結(jié)果。此項(xiàng)技術(shù)雖然前景看好，但由于目前缺乏病人來源，極少真正應(yīng)用于四肢癱瘓病人。

為保存有創(chuàng)腦機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)而減少電極插入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織所造成的信號長期不穩(wěn)定問題，現(xiàn)在也有人考慮應(yīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)來克服這一困難。

無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)有不需要動手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此比較容易為患者所接受，但是空間分辨率低，不能利用腦信號中的高頻成分。此外，每個病人都只有經(jīng)過一段較長時間的訓(xùn)練之后才能學(xué)會使用這種腦機(jī)接口。

這種技術(shù)中使用得最多的腦信號是腦電圖（EEG）。腦電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是時間分辨率高，應(yīng)用方便，體積小和價(jià)格低廉；而缺點(diǎn)一如上述，并且容易受到噪聲的干擾。在腦機(jī)接口研究的早期，例如1990年代中期，一些科學(xué)家訓(xùn)練癱瘓病人控制自己的腦電，例如閉眼安靜休息產(chǎn)生α波主宰的腦電，睜眼積極思考產(chǎn)生β波主宰的腦電，從而產(chǎn)生二值信號以控制計(jì)算機(jī)的光標(biāo)。但這種過程非常緩慢，病人花一個多小時才能用光標(biāo)寫100個字，而為此的訓(xùn)練需要好幾個月。現(xiàn)在的情況已大有改觀。

清華大學(xué)神經(jīng)工程研究所的科學(xué)家在電視屏幕上顯示表示數(shù)字0～9和“開”“關(guān)”這兩個詞的幾個方塊，每個方塊以不同的頻率閃動，然后讓受試者按想撥的號碼依次注視相應(yīng)的方塊。這些以不同頻率閃動的方塊會在腦內(nèi)誘發(fā)與它們同頻率的腦電成分，通過分析腦電里被誘發(fā)出來的頻率成分，就可以知道受試者想要的電話號碼，從而撥通手機(jī)。

無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)除廣泛應(yīng)用腦電以外，也應(yīng)用腦磁圖和功能性磁共振腦成像。已有利用這些技術(shù)做電子游戲，控制假肢，以及跟尚殘存有意識的“植物人”進(jìn)行溝通等事例。不過這些技術(shù)因設(shè)備要求高，價(jià)格貴，體積大，不易于像腦電那樣得到推廣應(yīng)用。

其他應(yīng)用

在臨床應(yīng)用之外，腦機(jī)接口技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用拓展也得到了廣泛研究，這里選擇介紹該技術(shù)用于神經(jīng)游戲和傳心術(shù)方面的一些事例。

神經(jīng)游戲

把腦機(jī)接口應(yīng)用到電子游戲方面正在形成一個新的領(lǐng)域——神經(jīng)游戲（neurogaming），其內(nèi)容不只是不動手可以玩游戲，甚至還可以通過檢測玩家心率、腦電波、皮膚電反應(yīng)、瞳孔、姿勢、面部表情等，根據(jù)玩家的情緒來調(diào)整游戲的音樂及圖景，使玩家產(chǎn)生親臨其境的全新感受，甚至打破虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的界線。2013年5月在舊金山召開了首次神經(jīng)游戲大會暨展覽，參會的有40個以上從事神經(jīng)游戲的廠商。第2次年會的參加者已超過550人次。會議組織者林奇（ZLynch）認(rèn)為神經(jīng)游戲就是不僅把腦而且把整個神經(jīng)系統(tǒng)都和游戲整合在一起的技術(shù)。他認(rèn)為神經(jīng)游戲還只是處于開始階段，不出幾年，它將在電子游戲界掀起一場風(fēng)暴。不過，目前游戲產(chǎn)業(yè)界對神經(jīng)游戲的前景還有不同看法。有一些研究者認(rèn)為神經(jīng)游戲不單是娛樂而已，利用這一技術(shù)也有望幫助老年人增強(qiáng)認(rèn)知能力，幫助兒童治療多動癥等。也有人擔(dān)憂不當(dāng)?shù)纳窠?jīng)游戲可能對玩家特別是青少年產(chǎn)生負(fù)面影響?，F(xiàn)在我們還不宜對神經(jīng)游戲過早地下斷言。

傳心術(shù)

既然腦機(jī)接口可以把腦信號傳送到外部設(shè)備，又可以把外部設(shè)備的信號直接傳送到腦，那么利用類似的技術(shù)，原則上也可能把一個腦的信號傳送給另一個腦。這不就成了1人們長期向往的“傳心術(shù)”（telepathy）嗎？2013年，尼科萊利斯首先在兩個鼠腦之間實(shí)現(xiàn)了這樣的信息傳輸，而這種接口也就被稱為腦腦接口（brain-to-brain interface）。

他們的實(shí)驗(yàn)是這樣做的：訓(xùn)練一只“編碼”鼠，學(xué)會一見墻壁上方的紅燈點(diǎn)亮就按壓某個杠桿（例如涂有某種顏色的杠桿），以獲取食品作為獎勵；然后，把決定這種行為的腦信號轉(zhuǎn)化為某種電刺激模式，直接傳送到另一只“解碼”鼠的腦中：無須對解碼鼠進(jìn)行任何訓(xùn)練，也無須通過其他視覺線索告訴它正確反應(yīng)，解碼鼠會按壓和編碼鼠同樣的杠桿以獲取食品獎勵。其正確率達(dá)70%。

更有意思的是，如果解碼鼠挑選了錯誤的杠桿，他們就讓編碼鼠也得不到獎勵，這樣迫使兩只大鼠協(xié)同工作。尼科萊利斯說道：“我們觀察到當(dāng)解碼鼠犯錯誤時，編碼鼠就會改變其腦功能和行為，以使其伙伴容易操作?！薄熬幋a鼠改善代表其決定的腦活動的信噪比，這樣信號就會更清晰而容易被檢測，使解碼鼠能更快也更清楚地挑選正確的杠桿加以按壓。當(dāng)編碼鼠做了這些改進(jìn)之后，解碼鼠成功的次數(shù)也增多了，因此兩者都更加容易得到獎勵。”他們甚至讓兩只大鼠相隔千里重復(fù)這樣的實(shí)驗(yàn)，依舊得到同樣的結(jié)果。尼科萊利斯總結(jié)說：“這些實(shí)驗(yàn)表明，我們在腦際巧妙地建立了直接的通信聯(lián)系，解碼腦起到了某種模式識別裝置的作用?！?/p>

展望

腦機(jī)接口正受到國際科技界極大重視，發(fā)展迅速。1999年第1屆國際腦機(jī)接口大會的參加者僅50人，而2013年第5屆大會的參加者已達(dá)301人。

2013年11月，歐盟推出一個展望未來5年、名為“BNCI地平線2020：腦神機(jī)（腦/神經(jīng)一計(jì)算機(jī)）接口未來”的計(jì)劃，以協(xié)調(diào)和促進(jìn)歐洲BNCI（腦神機(jī)接口）的科研、產(chǎn)業(yè)和使用者之間的合作。2015年歐盟委員會又發(fā)表了一個總結(jié)BNCI現(xiàn)狀和展望未來十幾年的“路線圖”。他們認(rèn)為現(xiàn)在腦機(jī)接口正處于從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。據(jù)他們調(diào)查，2011年和腦機(jī)接口相關(guān)的公司有39家，現(xiàn)在已有148家，其中絕大多數(shù)采用腦電作為指標(biāo)，其次是肌電和心電，而采用有創(chuàng)測量的只占6%。他們對今后10年的展望是：“在不遠(yuǎn)的將來，康復(fù)將從基于腦機(jī)接口的治療中得益。家用的無創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)將有助于中風(fēng)康復(fù)?？芍踩氲纳窠?jīng)記錄和刺激裝置將幫助恢復(fù)喪失了的運(yùn)動能力。從長遠(yuǎn)看，腦機(jī)接口還可望用于對癲癇、抑郁癥、帕金森病和精神分裂癥病人進(jìn)行矯正性神經(jīng)刺激的新療法。應(yīng)用腦機(jī)接口的運(yùn)動系統(tǒng)將使截癱病人恢復(fù)行走，這種系統(tǒng)將對腦信號進(jìn)行解碼，以此來控制外骨骼或是激活行走的腿肌刺激程序?！辈粌H如此，包括職業(yè)保健、游戲、教育和日常生活等諸多領(lǐng)域在內(nèi)的許許多多應(yīng)用，會采用腦信號作為重要的信息源。

在腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用方面，尤其值得注意的是中風(fēng)康復(fù)。對于中風(fēng)所造成的癱瘓，腦機(jī)接口技術(shù)和傳統(tǒng)的康復(fù)技術(shù)結(jié)合起來，除了應(yīng)用功能性電刺激之外，還能讓患者進(jìn)行運(yùn)動想象，通過測量腦活動和肌肉活動向病人提供反饋，幫助評估患者是否正確地執(zhí)行了治療所需的運(yùn)動想象任務(wù)。這種方法可望大大縮短和改善康復(fù)過程。

既然腦機(jī)接口要解碼腦信號，這就必然牽涉一系列倫理方面的考慮。使用者會遇到風(fēng)險(xiǎn)問題：對于老是使用某個腦區(qū)或腦通路的長期效應(yīng)還不清楚；極度依賴于腦機(jī)接口系統(tǒng)的患者（例如閉鎖癥患者）可能會擔(dān)心系統(tǒng)中斷和更換的問題；腦機(jī)接口使用者面臨被獲取腦信號并與他人分享的后果。另外，監(jiān)測自我健康狀況正在成為風(fēng)氣，這是一個尚未規(guī)范的市場，需要對系統(tǒng)指標(biāo)、健康風(fēng)險(xiǎn)和可能的數(shù)據(jù)濫用制訂標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)章制度。廣泛使用腦機(jī)接口不可避免地會產(chǎn)生私人的腦數(shù)據(jù)交換問題，不能不引起對于被人盜用數(shù)據(jù)的擔(dān)憂。

目前腦機(jī)接口技術(shù)最大的缺點(diǎn)是缺乏安全、精準(zhǔn)而又可靠地接收腦信號的傳感技術(shù)，一些學(xué)者認(rèn)為這個問題有望在今后20年內(nèi)解決。此外，為了動作精確，觸覺反饋也非常重要，這也是需要進(jìn)一步加以考慮的事；機(jī)械手還需要加上腕關(guān)節(jié)和手指，以便能完成精細(xì)動作。如何控制這些部分當(dāng)然也構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。

雖然前面還有許多艱難險(xiǎn)阻，但是這個領(lǐng)域的前景十分光明。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口 群體編碼 神經(jīng)游戲 腦腦接口

神經(jīng)假體學(xué) BNCI地平線 2020計(jì)劃