“腦機接口”橫空出世

沈臻懿

看過科幻大片《阿凡達》的觀眾想必都不會忘記劇中的一個橋段：不幸癱瘓的前海軍士兵杰克，身處潘多拉星球，頭戴一套復雜設備在密閉艙內利用思維，操控著由人類基因與當?shù)丶{美部族基因結合創(chuàng)造出的“阿凡達” 混血生物人軀體。片中無論是所處的星球、復雜的頭戴設備，還是阿凡達，都是影片的虛構產(chǎn)物。而當前一項名為“腦機接口”的腦力操控技術，已然橫空出世，將科幻瞬間變成現(xiàn)實！

腦機接口技術，是將人類大腦與各類外部設備之間搭建起直接交互的信息通路。這一新科技，在未來有著較為廣泛的應用前景。在康復醫(yī)學與輔助醫(yī)學領域，腦機接口技術就好比“讀心術”的現(xiàn)實版本，能夠幫助肌肉癱瘓與肢體運動障礙人士提升生活質量；在未來戰(zhàn)場環(huán)境下，腦機接口技術能夠全面賦予武器裝備“隨意而動”的智能化元素，可令士兵決勝于“無形”。士兵在大腦思維的作用下，就可以完全操控戰(zhàn)斗機等各類武器裝備；此外，腦機接口技術在大腦信號監(jiān)測方面的優(yōu)勢，使其在記憶力訓練、情緒控制訓練、注意力訓練等方面也有著得天獨厚的巨大潛能。

探秘腦機接口技術

眾所周知，生物電現(xiàn)象是生命體活動的典型特點之一。人類在從事各類生理活動時，都伴隨著放電的過程。譬如，眼睛在睜開、閉合的過程中，會產(chǎn)生5毫伏左右的電壓；人類在進行思考時，大腦會產(chǎn)生0.2毫伏至1毫伏的電壓。大腦不僅是人體最為復雜的組成部分，也是一個極為精密的信息處理終端。大腦內部的數(shù)十億個神經(jīng)元通過相互連接進行著信息的傳遞，并在整體協(xié)作框架下完成著各類認知活動。這些神經(jīng)細胞的活動，形成了電器性的變動。如果用科學儀器對大腦電位活動進行監(jiān)測，即會獲得如同波浪狀的圖案形狀，其也被稱之為腦電波。腦電波與大腦意識之間存在著一定對應關系，并呈現(xiàn)出規(guī)律性的特點。譬如，人類在緊張、興奮、哀傷等狀態(tài)下，腦電波的頻率有著極為顯著的差異。正是由于腦電波具有隨意識、情緒波動而變化的特點，使得人類對于腦電波的研究與利用具有了現(xiàn)實可能性。

腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）涉及人類大腦這一核心器官。就該技術中的“腦”而言，其泛指有生命體活動的大腦或神經(jīng)系統(tǒng)；“機”則涵蓋了任何能夠進行處理活動的外部設備。簡單來說，腦機接口技術就是在人類大腦與電子計算機等外部設備之間搭建起直接交互的信息通路。腦機接口技術的設計，有著單向傳輸通信與雙向傳輸通信兩種模式。腦機接口在進行單向傳輸通信時，主要通過對人腦電波的監(jiān)測與讀取，來分析、判斷使用人當前的想法與意圖，從而生成對應的控制指令，以操控外部設備進行運作。在雙向傳輸通信中，腦機接口則可在人類大腦與外部設備之間搭建起雙向信息交互的平臺，以便于讓大腦與外部設備進行互動溝通。

有別于影視作品中的藝術化加工，現(xiàn)實生活中的腦機接口技術面臨著不少難題與考驗。如何能夠高效、及時地采集到大腦神經(jīng)生物信號并成功予以識別、處理，如何能夠將人腦的思維意識轉換為外部設備操控的程序指令等等，都有賴于認知科學、深度學習、神經(jīng)科學等研究領域的不斷發(fā)展。不過，相較于腦機接口技術中“機”所代表的外部設備，人們更需要持續(xù)參透內在奧秘的則是人類大腦本身。我們知道，對于被譽為“三磅星球”的大腦，人們對其的認識依然存在著諸多空白。這也使得腦機接口技術尚存在諸多探秘空間。

醫(yī)療領域中讀心術的可操作版本

巴西世界杯開幕式上，一名腰部以下嚴重癱瘓的少年在大腦思維作用下，驅動外骨骼系統(tǒng)開出了世界杯賽程上的第一腳球。其之所以能夠用思維進行“踢球”，即是源于腦機接口技術的介入。

2008年獲得金球獎的電影《潛水鐘與蝴蝶》中，主人公鮑比就因為突如其來的中風，導致全身肌肉癱瘓，四肢無法動彈，唯一能做的只有眨一眨自己的左眼。對于鮑比而言，眨動左眼已然成為其與外部社會溝通、交流的唯一途徑，但其大腦思維卻與正常人完全一樣，這種寂寞、孤獨與無助，無疑令人徹底絕望。但令人倍感驚奇的是，鮑比居然僅僅靠著眨動左眼，最終完成了一部回憶錄《潛水鐘與蝴蝶》。對于諸如鮑比這樣的肌肉癱瘓、運動障礙等殘障人士而言，如何與外界溝通，傳遞自身思想或者實施某些活動，的確是一件極為困難的事情。但借助于腦機接口技術的發(fā)展，殘障人士不僅可以實現(xiàn)與外界交流，更可在外部設備的幫助下實施各類活動。就此而言，腦機接口技術為殘障人士提供了一個僅用思維意識，就可以與外界進行信息溝通的交流新手段。

這一技術在康復醫(yī)學與輔助醫(yī)學領域應用的關鍵，即是需要將個體大腦中的意識予以提取和解讀。通過專門設備對個體的神經(jīng)細胞活動進行監(jiān)測，以了解和掌握其思維動態(tài)。這就如同“讀心術”的現(xiàn)實版本，不僅可以實時了解殘障人士的內心意圖，亦可將其自身意圖轉化為對外部設備的操作與控制。腦機接口技術在醫(yī)療領域的應用，無疑可以幫助肌肉癱瘓與肢體運動障礙人士提升生活質量。加之人工智能、虛擬現(xiàn)實、機械外骨骼等技術的不斷發(fā)展，各類融入腦機接口技術的外部智能設備也應運而生。綜合了腦機接口技術與外部設備，能夠基于殘障人士的大腦思維作用，幫助其撥打電話、使用電子計算機；幫助行動不便的老年人或殘障人士使用家用電器、駕駛智能輪椅；幫助體弱病患者或者喪失運動能力人士進行康復訓練并給予護理，從而提升使用者的生活水準。

不過，這些與醫(yī)療、康復相關的腦機接口技術，大多還停留在實驗室研究階段，仍有不少現(xiàn)實難題需要逐步攻克。一方面，人類大腦過于復雜與精密的特點，使得現(xiàn)有科學對其的研究仍停留在較為初級的階段。另一方面，如何有效監(jiān)測腦電波，同樣十分不易。人的大腦被緊緊包裹于頭蓋骨之內。從頭皮開始，須歷經(jīng)頭皮層、顱骨、硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、軟腦膜，才能發(fā)現(xiàn)蘊藏在內的大腦。前述生理結構，使得大量腦電波信號已被頭骨所屏蔽。能夠穿透這些組織，并傳輸?shù)酵饷娴男盘栆褬O為微弱。

腦機接口技術在測量腦電波時，多采用非侵入式與侵入式兩種模式。使用非侵入式頭戴設備測量腦電波信號的方法雖安全無創(chuàng)傷，但過程極為煩瑣，且采集到的信號質量相對不高。若采用侵入式設備測量，則需要將電極植入使用者的顱腔內腦皮層之中。這一方法采集到的信號更為精準，更能有效、精確地實現(xiàn)交流通信。但相比非侵入式設備，侵入式設備對于使用者而言存在著更高的創(chuàng)傷風險。電極在植入的過程中，可能令大腦局部產(chǎn)生機械性損傷，并有一定的概率產(chǎn)生感染或腦部大出血。電極在植入后，還有可能帶來人體的排異反應，從而令腦組織受損。即使前述假設均未發(fā)生，但電極自身的使用情形仍是侵入式設備的潛在風險。電極在被植入顱腔內腦皮層后，其使用壽命的長短，或者是否會受到腐蝕，是否會發(fā)生移動而偏離預設位置等，都需要持續(xù)予以關注。不過，目前已有科學研究團隊基于安全無創(chuàng)的非侵入式方式，將腦機接口技術的腦電波監(jiān)測設備整合、濃縮至類似一個頭戴式耳機的體積，并僅需要有內置的金屬觸點，即可實現(xiàn)腦電波的監(jiān)測與采集。這一無創(chuàng)性、便攜式的腦電波監(jiān)測設備，也為腦機接口技術的大量應用鋪平了前行的道路。

在未來戰(zhàn)場上的獨特優(yōu)勢

腦機接口技術除了可運用于康復醫(yī)學與輔助醫(yī)學領域，為傷殘人士提供幫助外，還可讓人們僅僅使用“大腦思維”，就可以在未來的戰(zhàn)場上，大放異彩。這一“腦洞大開”的想法看似天方夜譚，但已有科學研究項目在探索如何使用“大腦思維”來駕駛飛機。

通常情況下，飛行員與其駕駛的飛機之間有著極為密切的聯(lián)系。作為一名飛行員，其需要經(jīng)過前期長時間的嚴格訓練，并需要對所駕駛飛機的性能極為熟悉。但伴隨著科學家的“腦洞大開”，飛行員和飛機之間的聯(lián)系愈發(fā)緊密。在腦機接口技術的幫助下，飛機駕駛艙內的傳統(tǒng)工作已然被徹底改變。飛行員不再需要手握機械設備，僅憑大腦思維就可以控制飛機的飛行。簡單來說，腦機接口技術將飛行員大腦發(fā)出的操控指令與對應的飛機升空、降落、巡航、轉彎等所有飛行活動緊密連接在一起。在實驗過程中，飛行員即借助該技術，利用大腦思維在飛行模擬器上遙控操作F-35戰(zhàn)斗機。這一新科技，令飛行員不再需要歷經(jīng)復雜的操控訓練，只需要利用大腦想象如何讓飛機飛得更好，即可以實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境下的獲得先機。美國國防部對于這一利用大腦思維來駕駛噴氣式戰(zhàn)機的未來科技極為感興趣，其已意識到該項新技術的應用前景。通過腦機接口作用下的精神控制系統(tǒng)，能夠讓飛行員不借助外部設備僅依靠大腦就可進行飛行控制。這不僅使得操控反應時間縮短至幾毫秒，更大大提升了戰(zhàn)機飛行員的作戰(zhàn)效能。

腦機接口技術在武器裝備創(chuàng)新方面也有著巨大的應用潛力。其能夠全面賦予武器裝備“隨意而動”的智能化元素。在腦機接口技術的作用下，士兵可以直接通過大腦思維來對武器設備予以操控。利用該技術研發(fā)的認知技術預警系統(tǒng)，可以幫助士兵在短短數(shù)秒之內，識別出視距范圍內的百余處可疑威脅目標。此外，同樣利用腦機接口技術研發(fā)的腦電波遙控直升機等武器裝備，其遠程控制終端即是士兵的大腦。基于士兵大腦信號的遠程遙控，該武器裝備能夠成功規(guī)避各類障礙物，大大提升了戰(zhàn)場上士兵操作控制裝備的靈敏性和安全性。

提升學習與訓練的專注度

很多家長在輔導孩子學習時，往往會有諸多抱怨。孩子在看書、做題等學習時，有時難以集中注意力，或者存在專注度分散且較為多動的情形。這些現(xiàn)實情形的存在，也使得人們紛紛思考，有沒有一種全新的技術能夠在未來生活中，令學習、訓練變得更為專注與有效。

腦機接口技術以其對于大腦信號監(jiān)測與通信的優(yōu)勢，使其在記憶力訓練、情緒控制訓練、注意力訓練等方面有著自身特有的巨大潛能。美國、韓國以及歐洲部分國家在對射箭專業(yè)運動員進行培養(yǎng)時，就已開始使用腦機接口技術來訓練運動員大腦的專注度，從而幫助運動員有效提升自身的專業(yè)成績。

相較于依賴身體生理活動與被試行為的反饋訓練，新型的神經(jīng)反饋訓練則采用了腦機接口技術，從而得以對學習者或訓練者的大腦活動進行實時監(jiān)測。通過腦機接口相連的外部設備，監(jiān)測者可以直接分析、判斷學習者或訓練者的大腦狀態(tài)，有針對性地調整學習或訓練方案，并在此基礎上對學習者或者訓練者進行提醒，以便于其能夠根據(jù)自身的大腦活動狀態(tài)來進行相應的認知調節(jié)?？茖W家們在經(jīng)過研究后證實，基于腦機接口技術對個體大腦狀態(tài)進行監(jiān)測時，若發(fā)現(xiàn)該個體處于良好學習狀態(tài)時，給予其相應的學習材料，則可以明顯提升學習效果與認知強度。此外，在采用以腦機接口技術為支撐的神經(jīng)反饋訓練時，若發(fā)現(xiàn)被測試者出現(xiàn)有注意力分散、不集中的顯現(xiàn)，則應及時提升訓練的難度，從而令被測試者的注意力與專注度得到明顯的提升。

除了以上這些個體化的技術應用外，科學家們也將關注的目光投向了腦機接口技術與大數(shù)據(jù)分析的融合。其通過將腦機接口技術監(jiān)測獲得的大腦信號數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)之間的大數(shù)據(jù)分析，從而得到個性化的神經(jīng)預測。若人類大腦腦區(qū)之間的交流、通信程度越高，人類的推理、信息處理以及思維能力也就越強。因此，腦機接口技術與大數(shù)據(jù)分析的融合成果，可以用來對智力進行測驗、對腦部疾病進行檢測、對認知障礙進行分析，甚至還可在一定程度上對犯罪傾向予以判斷。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com