腦機(jī)“互聯(lián)”讓“腦控”不再遙遠(yuǎn)

陳菁菁 高小榕

在電影《阿凡達(dá)》中，地球人杰克·薩利騎著美麗的怪獸托魯克來到潘多拉星，以幫助納美人抵抗地球人的侵略，拯救潘多拉星。而納美人對兇猛無比的托魯克十分敬畏，看到杰克·薩利竟可以將其征服時，便驚呼他為魅影騎士，并接受了他的到來。像科幻電影中這樣用思維隨心所欲地控制坐騎的現(xiàn)象，在現(xiàn)實中可以實現(xiàn)嗎？答案是：有可能。

腦機(jī)怎么“互聯(lián)”？

在日常生活中，人們總是通過動作、語言和表情等來表達(dá)自己的所思所想。那是不是有一項技術(shù)可以讓人不需任何動作，直接通過腦電波就能表達(dá)自己，與外界進(jìn)行交互呢？答案是肯定的。而這種技術(shù)就是腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface）技術(shù)。腦機(jī)接口，顧名思義，是一種希望在大腦和計算機(jī)之間直接建立聯(lián)系的技術(shù)，這項技術(shù)可以實時記錄大腦的活動情況，將其中攜帶的信息“解讀”出來，變成計算機(jī)和其他設(shè)備也能明白的指令。這項技術(shù)的初衷是幫助像史蒂芬·霍金那樣因為疾病無法再自如活動、表達(dá)的群體重新獲得與外界交流的能力，但近些年來其涉及領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，開始應(yīng)用于康復(fù)、教育和娛樂等領(lǐng)域。并越來越多地受到普通人的關(guān)注。

根據(jù)獲取腦活動的方式，一般可以將腦機(jī)接口分為兩類。一類是侵入式腦機(jī)接口，即通過開顱手術(shù)直接在大腦皮層植入電極來記錄腦活動。侵入式腦機(jī)接口由于可以直接監(jiān)測到大腦皮層的活動，因而采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的信息讀取。2019年，加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家就基于侵入式腦機(jī)接口技術(shù)實現(xiàn)了“讀心術(shù)”：通過實時讀取大腦信號，科學(xué)家可以將人們心中默念的句子播放出來。不過值得注意的是，這項技術(shù)并不是直接把思維轉(zhuǎn)換成語音，而是首先從腦活動中解讀人們的發(fā)聲器官（嘴唇、舌頭和喉嚨等）的活動情況，再根據(jù)發(fā)聲器官的活動和說話聲的對應(yīng)關(guān)系。最終判斷人們想說的是什么。雖然侵入式腦機(jī)接口的應(yīng)用更接近人們對“意念控制”的暢想，但因為安全性和手術(shù)成本等問題，目前還處于實驗室探索階段。

相較之下，非侵入式腦機(jī)接口距離日常生活就近了許多。非侵入式腦機(jī)接口只需要像戴帽子一樣佩戴上腦電采集帽就可以實現(xiàn)。但由于這種方式記錄到的腦信號是透過厚厚的顱骨傳出的，信號質(zhì)量相較于侵入式腦機(jī)接口獲取的要差，利用這些信號解讀人們自由的暢想會很困難。為了解決這一問題，科學(xué)家們想到，也許可以借助外加刺激使大腦的狀態(tài)更容易解讀。例如，因為大腦存在跟隨效應(yīng)。如果以一定規(guī)律對人施加外部刺激（例如讓人看一個每秒閃爍15次的小方塊），就會發(fā)現(xiàn)從頭皮上記錄到的腦信號也具有對應(yīng)的規(guī)律（每秒起伏15次），所以，如果給人呈現(xiàn)以不同規(guī)律閃爍的小方塊，并給它們預(yù)先設(shè)計好不同的含義，那通過分析腦信號的規(guī)律，不就可以知道人在看哪個方塊，想要輸入哪種指令了嗎？

正是利用這種思想，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)工程實驗室的科學(xué)家們設(shè)計了一套腦電波打字系統(tǒng)，并成功地幫助一位全身僅有嘴角、眉毛和眼球可以活動的漸凍癥患者重新獲得表達(dá)自己想法的能力。而在2019年世界機(jī)器人大會的腦控機(jī)器人大賽上，這種腦電波打字系統(tǒng)實現(xiàn)了每分鐘691.55比特的信息傳輸率，表明該系統(tǒng)技術(shù)上限是可以實現(xiàn)0.413秒輸出一個英文字符，已經(jīng)和直接用手敲擊鍵盤的速度相差無幾。

腦機(jī)“互聯(lián)”能做什么？

腦機(jī)接口在臨床方面有很廣泛的用途。例如，腦機(jī)接口有望幫助患者重新獲得運動能力。在2014年巴西世界杯上，在腦機(jī)接口技術(shù)的幫助下，一位癱瘓的年輕人通過控制外骨骼開出了比賽第一球。腦機(jī)接口也被用于中風(fēng)康復(fù)，在實際使用過程中，患者需要想象自己原本無法活動的肢體正在活動，腦機(jī)接口解讀出這種意圖后，會控制外骨骼康復(fù)設(shè)備移動患側(cè)肢體，使其真地動起來。研究表明，這種需要患者主動參與的康復(fù)方法有助于斷裂神經(jīng)的再生。并越來越多地受到關(guān)注。此外，腦機(jī)接口對于自閉癥、多動癥等與大腦相關(guān)的疾病的治療也有一定的作用。

腦機(jī)接口還可以用于解讀人的專注度、放松度、疲勞度和情緒狀態(tài)等。例如，通過腦機(jī)接口技術(shù)對學(xué)生聽課的投入程度進(jìn)行實時分析，老師們就可以根據(jù)同學(xué)們的狀態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容：如果走神的同學(xué)比較多，那么可以講點有趣的故事;如果發(fā)現(xiàn)同學(xué)們很累，那么可以放慢課程節(jié)奏。這種個性化的解決方案在網(wǎng)絡(luò)授課這種沒有老師在場的環(huán)境中十分有意義。在娛樂行業(yè)，腦機(jī)接口除了可以利用思維解讀實現(xiàn)腦控?zé)o人機(jī)、腦控賽車等小游戲之外，還可以對電影、廣告或音樂短片的制作提供指導(dǎo)。通過實時讀取人觀看電影時的情緒狀態(tài)，導(dǎo)演可以挑選最能調(diào)動情緒、吸引眼球的片段制作成預(yù)告片，也可以刪減觀眾覺得無聊的片段，還可以根據(jù)觀眾的喜愛程度預(yù)測票房。

腦機(jī)“互聯(lián)”末末如何？

智能時代已經(jīng)向我們走來，未來會存在兩類智能體，即碳基的人類和硅基的人工智能體。如何實現(xiàn)兩者的通信交流是我們需要思考的關(guān)鍵問題之一?；阪I盤、鼠標(biāo)、語音識別等人機(jī)交互技術(shù)似乎太慢，會導(dǎo)致人和人工智能體之間產(chǎn)生信息交換鴻溝，而腦機(jī)接口技術(shù)有望解決此類問題。

腦機(jī)接口在下個階段可能會往哪些方向發(fā)展？一個方向是實現(xiàn)“雙向”的腦機(jī)接口。之前腦機(jī)接口大多關(guān)心怎么從大腦中讀取信息，例如京都大學(xué)的科學(xué)家曾經(jīng)完成一項解夢的工作，可以根據(jù)人們睡覺時的腦活動，識別出人夢見了什么。而近些年，人們也開始關(guān)心如何向大腦中寫入信息。實際上，基于聲、光、電、磁刺激等手段，我們已經(jīng)實現(xiàn)了向大腦進(jìn)行非常簡單的信息寫入。但隨著對大腦工作機(jī)制理解的深入，我們有可能實現(xiàn)更加復(fù)雜和大規(guī)模數(shù)據(jù)的寫入。例如，在未來的某一天，人類有望利用腦機(jī)接口實現(xiàn)“造夢”，如同《黑客帝國》中呈現(xiàn)的那樣，為大腦打造出一個虛擬而又高度真實的世界;人們也不需要再花費精力學(xué)習(xí)像外語這樣主要依賴反復(fù)背誦的知識，而可以直接利用腦機(jī)接口將外語技能寫入記憶中，節(jié)省出更多的時間去完成需要創(chuàng)造力的任務(wù);甚至，人與人之間的交流也不再需要語言動作或者文字，而是通過腦對腦的信息寫入。讓你明白對方的所思所想。

腦機(jī)接口的另一個發(fā)展方向是腦機(jī)融合和腦機(jī)智能。人工智能領(lǐng)域的許多成果都受到大腦工作原理的啟發(fā)，而腦機(jī)接口技術(shù)對人的思維的解讀，既可以幫助人們進(jìn)一步理解大腦，讓計算機(jī)變得更聰明、更像人類;也可以讓計算機(jī)更好地理解人類、與人類協(xié)同工作。也許在未來的某一天，通過腦內(nèi)的神經(jīng)接口，人與計算機(jī)之間可以建立起一套與此前完全不同的信息交流體系，實現(xiàn)人腦與電腦高速的信息交互和協(xié)同加工，讓每個人和每合計算機(jī)都變?yōu)椤盎ヂ?lián)網(wǎng)”中的節(jié)點，最終實現(xiàn)生物智能和人工智能的“融合”，而那個時候，擁有一個可隨心所欲指揮的坐騎也不再是夢。

近年來，腦機(jī)接口領(lǐng)域誕生了一系列激動人心的成果，為我們的未來提供了許多可能性，但必須要說明的是，腦機(jī)接口距離科幻作品中的描述還有很長的路要走。而在技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，腦機(jī)接口和人工智能一樣，面臨相關(guān)倫理問題，學(xué)術(shù)界乃至整個社會都需要對此問題保持關(guān)注，并為此類技術(shù)設(shè)置合理的邊界。我們相信，隨著科學(xué)家們的不斷努力，腦機(jī)接口技術(shù)必將造福更多的人。