插口人生：腦機時代已來？

喬小幫主

在《攻殼機動隊》和《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，主角只有大腦保存完好，安裝了外骨骼之后奇跡般地復(fù)活，在腦機接口技術(shù)的加持下，還能進行激烈刺激的戰(zhàn)斗;在《黑客帝國》中，人類通過腦后插管可以在虛擬世界中生活，并且渾然不覺有任何異樣;在威廉·吉布森的短篇小說《冬季市場》中，主角患有先天性殘疾，只能依靠腦機接口控制外骨骼活動，為了擺脫羸弱的肉體，她最終將意識轉(zhuǎn)譯成計算機程序，獲得了永生。在《科幻世界》2019年6、7期連載的陳虹羽《永劫之境》中，被實驗人員通過人機接口進入相互干涉影響的共享意識世界，但這項看似通過激發(fā)植物人意識救死扶傷的技術(shù)，背后卻隱藏著泯滅人性的軍事用途……相信大家對于科幻作品中設(shè)想的腦機接口的強大功能并不陌生。

2020年8月，埃隆·馬斯克召開了一次發(fā)布會，展示了其投資的Neuralink公司最新的腦機接口設(shè)備。在演示中，這款設(shè)備可以記錄實驗豬腦內(nèi)的神經(jīng)電信號、預(yù)測它的運動。同時，他還宣稱腦機接口能夠召喚汽車、打游戲，并且能治療諸如失聰、失憶、中風等疾病，甚至連抑郁癥、焦慮、失眠、成癮都能治療。此外，他還聲稱有望在5年內(nèi)實現(xiàn)大腦間的直接交流，將來還能上傳和下載記憶，從而實現(xiàn)科幻中的“數(shù)字永生”。

看樣子，科幻成為現(xiàn)實指日可待了。但實際上，他所演示和聲稱的功能，有些早已經(jīng)實現(xiàn)，還有些仍然是天方夜譚。要搞清這個問題，首先應(yīng)該知道科學(xué)家們研究的腦機接口是何物，以及它們究竟能干什么。

何謂腦機接口？

顧名思義，腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）就是連接大腦與計算機之間的信息系統(tǒng)，可以讓大腦直接和計算機溝通。腦機接口的信息傳遞是雙向的，既能從大腦傳遞信息到計算機，進而操控與之連接的外部設(shè)備，也能從計算機傳遞信息到大腦，用電信號刺激腦神經(jīng)。

那么，腦機接口是如何運作的呢？神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，即使神經(jīng)系統(tǒng)和運動器官因損傷而喪失作用，只要大腦功能保持正常，那么控制指令依然能夠通過腦電信號從大腦中傳輸出來，只不過損傷的肢體不會隨之活動罷了。人們在進行某些思維活動，或者在某些外部刺激下，腦電信號會呈現(xiàn)出與刺激相對應(yīng)的規(guī)律性變化。因此，抽象虛擬的大腦活動，可以通過具體真實的腦電信號來表達，這種信號是大腦與外界溝通的橋梁。腦機接口即是通過檢測或影響這種腦電信號來和神經(jīng)元溝通的。

此外，腦機接口的另一個原理是大腦的功能組成。我們知道，大腦的各種功能通常由一些具體位置（即腦區(qū)）來負責，比如視覺依賴大腦枕部的區(qū)域來實現(xiàn)，如果該腦區(qū)受傷，就會讓視覺能力受損，此即大腦功能的局部性。同時，每種功能也需要多個腦區(qū)的協(xié)同合作才能實現(xiàn)，任何一個涉及相關(guān)信息加工的腦區(qū)產(chǎn)生故障，都會導(dǎo)致人體最終的行動（語言、表情、動作等）出現(xiàn)問題，此即大腦功能的分布性。這對于腦機接口采集信號或者電極植入位置的選擇至關(guān)重要。

按照人機連接的方法來劃分，腦機接口一般分為無創(chuàng)型（非植入型）和植入型。

常見的無創(chuàng)型BCI是基于腦電圖（EEG）的腦機接口，這種記錄系統(tǒng)有幾十到上百個圓盤形電極，每個電極的形狀和大小跟紐扣差不多。將這些電極粘貼在頭皮上，即可記錄大腦中的電流變化。植入型腦機接口則需要通過在頭顱植入電極來記錄神經(jīng)元活動，電極既可以植入到顱骨與大腦之間，也可以植入到大腦皮層內(nèi)部。這幾種方法所收集的神經(jīng)信號精度和強度有明顯不同。

我們可以將大腦想象成一座正在舉行球賽的巨大的體育館，每個神經(jīng)元就是一名觀眾，一個神經(jīng)元發(fā)出的動作電位就是觀眾的一次呼喊。對于無創(chuàng)型腦機接口來說，貼在頭皮上的電極就像貼在體育館外墻上傾聽館內(nèi)聲音的麥克風，每個觀眾的呼喊聲（神經(jīng)元的信號）是非常微弱的，麥克風只能探測到館內(nèi)那一億名觀眾疊加的呼喊。在這種情況下，很難探測到一個人（神經(jīng)元）的呼喊（動作電位），自然就無法了解具體某個神經(jīng)元的活動，更何談了解大腦的具體狀態(tài)？但進球時，觀眾會齊聲歡呼，聲音具有同步性，會比雜亂無章的各種聲音更大。所以，根據(jù)這種同步性的歡呼，就能猜到館內(nèi)發(fā)生了什么。EEG記錄系統(tǒng)就是通過探測大量神經(jīng)元的同步活動，來推測大腦的工作狀態(tài)。

植入到顱骨與大腦之間的電極陣列，相當于把麥克風安裝到體育館的內(nèi)墻上，當然，它仍然難以記錄單個神經(jīng)元的活動，和EEG一樣只能測到多個神經(jīng)元的整體活動，但其空間分辨率更高了，記錄到的神經(jīng)元數(shù)量更少，位置也更具體。而植入到皮層內(nèi)的電極陣列，則相當于把巨型麥克風放到觀眾當中，可以記錄周圍幾個人的歡呼，不過，由于人與人之間的呼叫聲有些不同，在軟件的幫助下可以把某個呼叫聲和呼叫人對應(yīng)起來，理論上能得到單個人（單個神經(jīng)元）的活動。因此，植入到大腦皮層里的電極所提取的信息，比其他方法更加詳細。但是，目前還沒有對某個神經(jīng)元進行選擇記錄的能力，只能根據(jù)大腦的功能區(qū)來選擇植入電極陣列的位置，例如需要控制假肢時，可以在參與控制手臂或腿部運動的腦區(qū)植入電極。

提取到神經(jīng)信號后，還要進行解碼。就像球賽觀眾里有兩支隊伍的支持者，一方支持者所支持的球隊進攻時，他們會發(fā)出更多的歡呼，反之，他們就比較安靜。但他們偶爾也會因為其他事情歡呼。這就相當于不同的神經(jīng)元有不同的偏愛方向。查明神經(jīng)元的偏愛方向后，實時記錄它們的活動，就可以猜測那個人的運動意圖。該過程就叫解碼。之后，控制系統(tǒng)需要根據(jù)解碼結(jié)果來控制假肢或光標，而且還能向大腦提供反饋信號，以便調(diào)節(jié)機械臂或光標等的操控。

腦機接口究竟能干什么？

腦機接口最主要的用途就是通過接收使用者指令性的腦電信號，將其轉(zhuǎn)化輸出，進而控制外部設(shè)備或周圍的環(huán)境（比如開關(guān)燈、控制室溫等）。

從已有的報道來看，前文提及的馬斯克展示和聲稱的部分功能其實早就實現(xiàn)了。比如無創(chuàng)型腦機接口，它可以探測到神經(jīng)元同步活動頻率的變化，通過分析各頻率的相對強度，把分析結(jié)果反饋給使用者或?qū)嶒炚?，也可根?jù)這些結(jié)果來控制目標。利用這一原理，可以有些很有趣的應(yīng)用。早在1985年，邁克爾·斯萬維克和威廉·吉布森合著的小說《空戰(zhàn)游戲》中就提到了通過粘貼在耳后的控制器，來操控戰(zhàn)斗機進行空戰(zhàn)比賽。而在現(xiàn)實中，市面上也有相應(yīng)的可穿戴腦電波玩具了，例如讓玩家用腦電波給玩具車加速來比賽，或者戴上可以探測分析腦電波的貓耳朵，即可根據(jù)佩戴者情緒的變化做出相應(yīng)的指示動作。

而且，這種腦機接口還能獲取大腦對身體各部位運動的想象，例如是否在想象運動左手或右腳，在想象不同的運動時，會激活控制相關(guān)運動功能的腦區(qū)的神經(jīng)元，它們附近的電極所記錄的頻率就會有所變化。軟件同時分析多電極的信號，用算法來猜測使用者的想象，從而實現(xiàn)讓輪椅轉(zhuǎn)彎或前行，以及控制外骨骼行走等等。除此之外，無創(chuàng)型腦機接口還可以讓使用者選擇屏幕上的圖標，實現(xiàn)打字的功能，目前的頻率已經(jīng)達到一分鐘輸入上百個字母了。

植入型腦機接口可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。2020年初，我國完成了首例植入型腦機接口的臨床研究，病人進行4個月的康復(fù)訓(xùn)練之后，實現(xiàn)了用意念控制機械臂進食、喝水和日常娛樂等行為。當然，除了能更好地控制假肢活動之外，植入型腦機接口還可以直接讀取人想說的話。方法是用電極記錄大腦語言區(qū)的神經(jīng)活動，同時讓受試者閱讀或默念一些句子，然后分析獲得腦電信號各頻率的相對強度，再根據(jù)這些頻率找出腦活動對應(yīng)的語言。了解到腦電頻率和語言之間的關(guān)系后，就能把記錄到的信號轉(zhuǎn)換成句子，即便不開口，機器也能了解并表達使用者想說的話。

近年來，腦機接口在醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步興起。比如中風損壞的是大腦皮層的運動中樞，傳統(tǒng)的物理訓(xùn)練康復(fù)只是活動胳膊和腿腳，效果并不很好。如今，基于腦機接口開發(fā)了一種主動的訓(xùn)練方式，即讓中風病人想象癱瘓肢體的運動，在想象時，腦電波是有反應(yīng)的，從而可以通過腦機接口系統(tǒng)測量到這種腦電波信號，一旦發(fā)現(xiàn)病人真的想動時，再去啟動訓(xùn)練的機器人，這種訓(xùn)練方式非常有效。2014年，天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊研制了一套應(yīng)用于全肢體中風康復(fù)的人工神經(jīng)機器人系統(tǒng)，在患者體外仿生構(gòu)筑了一條人工神經(jīng)通路，通過模擬解碼患者的運動康復(fù)意念信號，驅(qū)動神經(jīng)肌肉電刺激，從而讓癱瘓的肢體做出了對應(yīng)的動作。

此外，腦機接口也能應(yīng)用到健康人的訓(xùn)練當中，比如可以探測到優(yōu)秀射擊選手執(zhí)行任務(wù)時的腦狀態(tài)，因此，把腦活動及時反饋給射擊選手，讓其了解自己距離優(yōu)秀水平還有多大差距，從而調(diào)整腦狀態(tài)，盡快達到優(yōu)秀水平。

以上介紹的都是用腦機接口讀取大腦信號，然后將解碼的信息發(fā)送出去，以實現(xiàn)某種目的。除此之外，腦機接口也能向大腦傳遞信息，刺激電極周圍的神經(jīng)元，既能提供反饋（比如用機械臂抓握玻璃杯時，通過相應(yīng)的反饋來調(diào)整抓握力度），也能產(chǎn)生人工觸覺、人工視覺和人工聽覺。不過，腦內(nèi)電刺激還處在實驗階段，相比之下，神經(jīng)接口電刺激（對大腦以外的神經(jīng)進行電刺激的技術(shù)）發(fā)展較為成熟，一些利用該技術(shù)的神經(jīng)接口產(chǎn)品已經(jīng)上市，比如人工耳蝸和人工視網(wǎng)膜，分別是用電刺激來激活聽覺神經(jīng)和視網(wǎng)膜里的神經(jīng)元，從而讓患者重新獲得聽覺和視覺，前提是聽覺神經(jīng)和視網(wǎng)膜神經(jīng)，以及相關(guān)的神經(jīng)中樞都完好無損。

深部腦刺激

馬斯克也提到腦機接口將來可以治療抑郁癥、失憶等大腦深部病變導(dǎo)致的神經(jīng)精神疾病，利用的就是腦內(nèi)電刺激。事實上，對于這類疾病，已經(jīng)有相對成熟的治療手段了，這種技術(shù)叫作“深部腦刺激”，俗稱腦起搏器。

腦起搏器最主要的應(yīng)用是治療帕金森病。迄今為止，全球已經(jīng)有超過10萬名帕金森病和其他神經(jīng)精神疾病患者因此受益。以治療帕金森病為例，腦起搏器的電極植入丘腦底核區(qū)域，脈沖發(fā)生器植于胸前皮下，延長導(dǎo)線則在皮下連接脈沖發(fā)生器和電極。手術(shù)完成后，腦起搏器會發(fā)出一定頻率的電刺激脈沖，通過電極觸點作用于丘腦底核區(qū)域，調(diào)節(jié)大腦內(nèi)異常的神經(jīng)活動，從而達到改善癥狀的作用。除了帕金森病之外，腦起搏器對于原發(fā)性震顫、肌張力障礙、慢性疼痛等疾病都有很好的效果，神經(jīng)科學(xué)家也在積極探索將其用于癲癇、抑郁、強迫癥、老年癡呆、成癮等神經(jīng)精神疾病的可能性。

一般來講，腦機接口和腦起搏器的電極植入的腦區(qū)是不一樣的。由于運動中樞、感覺中樞、聽覺中樞、語言中樞等均位于大腦皮層，所以植入型腦機接口的電極需要植入皮層，而腦起搏器的電極需要植入大腦深部，例如治療帕金森和抑郁癥的靶點分別位于丘腦和扣帶回膝下部，植入皮層的腦機接口電極恐怕“鞭長莫及”。對外宣傳中談及的腦機接口有望治療各種神經(jīng)/精神疾病，往往指的是深部腦刺激。當然，也可以將它看作另一種類型的腦機接口。

前路迢迢

有相關(guān)研究者設(shè)想，到2030年，無創(chuàng)型腦機接口技術(shù)發(fā)展成熟，癱瘓者可以直接用大腦控制輪椅，外骨骼系統(tǒng)也開始上市。2050年，植入型腦機接口風險大大降低，健康人也愿意使用，安裝第五、第六肢體，士兵還能植入整合了近紅外、聲吶等技術(shù)的“眼睛”。2070年，可用植入芯片來提高人的智能，大腦提取芯片里的知識，就像提取記憶中從學(xué)校上課學(xué)到的知識一樣方便……但這些設(shè)想實現(xiàn)的前提是：腦機接口的發(fā)展必須十分順利。

盡管已經(jīng)取得了諸多成績，但到目前為止，腦機接口基本上還處于實驗室展示的水平，距離真正的商業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走，它還面臨著很多亟待解決的難題——

腦科學(xué)問題：腦部疾病的致病機制尚在研究當中，這些問題沒有研究明白，腦機接口就不可能有成熟應(yīng)用。

腦電信號采集的準確性：如果要實施精確監(jiān)測，必須在腦內(nèi)植入大量電極。然而，大腦皮層中有上百億個神經(jīng)元，就像前文以“體育館”打比方所說的那樣，一個電極記錄的是皮層千千萬萬的神經(jīng)元電信號，不可避免地會受到其他信號的干擾。想要實現(xiàn)真正的精確測量，簡直困難重重。哪怕將來達到幾萬個電極，對于天文數(shù)字的神經(jīng)元來說，也只是九牛一毛。而且，這么多的電極如何植入到大腦里？如何處理海量的數(shù)據(jù)？一般的計算機很可能實現(xiàn)不了這種超算功能。

安全性和植入電極的工作壽命：將數(shù)量巨大的電極植入皮層中，需要打開顱骨，還要保證不引起出血等損傷，難度非常之高。而且我們身體的免疫組織會長期攻擊植入電極，免疫細胞會將它們包圍起來，形成疤痕組織，所以電極的記錄質(zhì)量會慢慢下降，長則幾年，短則幾個月，電極就完全監(jiān)測不到神經(jīng)元活動，如果需要再次使用，就得重新植入電極。這也增加了損傷大腦神經(jīng)元和感染的風險。

神經(jīng)解碼和編碼：目前仍然是“黑箱”。腦機接口只是將復(fù)雜的神經(jīng)元活動還原成簡單的腦電波數(shù)據(jù)，解碼的精確度還是太低了。而且，解碼對應(yīng)的是“從腦到機”，是“猜測”使用者的“運動意圖”，與“解讀意識”完全不是一個概念，而編碼對應(yīng)的是“從機到腦”，更是難上加難，基本還處于完全的未知狀態(tài)，再加上科學(xué)家對于“意識”本身的機制還沒研究清楚，所以意識上傳、數(shù)字永生還是科幻構(gòu)想，恐怕我們有生之年都見不到那天的到來。

通信速度慢：腦機接口最大信息轉(zhuǎn)換速度只有每分鐘100比特左右，這個效率遠遠達不到正常交流的水平，也無法控制外接設(shè)備做出復(fù)雜且流暢的動作，更何談像《空戰(zhàn)游戲》中那樣操控戰(zhàn)機進行激烈的比賽？

此外，腦機接口是一門復(fù)雜的交叉學(xué)科，涉及神經(jīng)科學(xué)、認知科學(xué)、機械動力學(xué)、信息工程學(xué)、材料學(xué)等，任何一個學(xué)科有短板，都會嚴重制約腦機接口的發(fā)展。

腦-腦接口初露曙光

值得一提的是，在腦機接口發(fā)展的過程中，還出現(xiàn)了一種叫作“腦-腦接口”的技術(shù)。2009年上映的電影《阿凡達》就對此有過展示：人類可以通過腦對腦的直接信息傳遞，遠程控制潘多拉星球上經(jīng)過改造的納威人的身體。事實上，這絕非異想天開。有研究表明，從一只動物的大腦皮層提取神經(jīng)電生理信息，將其解碼之后，的確能刺激另一只動物的大腦皮層。

2014年，上海交通大學(xué)的研究團隊申請了一項腦-腦接口的發(fā)明專利，其工作步驟是：視頻監(jiān)控動物的運動信息，傳輸至腦機接口的實時控制界面，控制者（人）在控制界面看到動物的運動狀態(tài)，然后表達其大腦控制的意圖，腦電采集模塊會采集控制者的腦電信號，發(fā)送至計算機端的處理模塊，最后將解碼后的信息發(fā)送給動物的神經(jīng)電刺激電極，進而控制動物的運動方向。簡單地說，它其實包含了兩套腦機接口系統(tǒng)，分別在受控動物和控制者兩端。其目的是利用動物的特長，讓它們在人類的控制下，代替人類完成我們不能和不敢的特殊任務(wù)，比如搜索、探險等。

2018年，美國華盛頓大學(xué)的研究團隊首次成功建立了多人腦-腦接口系統(tǒng)，成功合作完成了俄羅斯方塊游戲。他們將三名受試者分成兩組，其中二人可以看到完整的游戲界面，并通過腦機接口發(fā)出是否旋轉(zhuǎn)屏幕上最新出現(xiàn)的圖形角度的指令，第三個人接收到指令來實施操作，平均正確率高達81.25%。該研究展示了利用連接大腦的“社交網(wǎng)絡(luò)”協(xié)作解決問題的可能性。

不過，由于涉及提取腦電信號、解碼、將解碼信息傳遞到正確的神經(jīng)環(huán)路等高難度過程，此前的腦-腦接口信息傳遞速率只能達到每秒0.004至0.033比特，這是制約該技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸之一。2020年初，北京腦科學(xué)與類腦研究中心的科研人員提出了一種新型的腦-腦接口，有望解決這一問題。他們先是用光纖記錄系統(tǒng)從“控制鼠”的大腦神經(jīng)元中提取運動信息，然后將其解碼，進而通過光遺傳學(xué)1刺激“阿凡達鼠”的特定神經(jīng)元，其信息傳遞速率達到了每秒4.1比特，比之前的同類研究高出兩到三個數(shù)量級，實現(xiàn)了兩只動物的高度同步化運動，從原理上驗證了跨個體精確控制動物運動的可能性。

從系統(tǒng)構(gòu)成來看，腦-腦接口與腦機接口密不可分，腦機接口的瓶頸也是腦-腦接口需要克服的，與此同時，腦-腦接口或許還存在專屬于它的難題。雖然困難重重，科幻作品中設(shè)想的終極目標也不一定能變成現(xiàn)實，但腦機接口和腦-腦接口有望實現(xiàn)生物智能與機器智能的融合，使大腦與大腦之間、大腦與計算機之間直接進行溝通，前景可謂十分廣闊。全世界的科學(xué)家正在努力鉆研，未來一旦取得重大突破，人類歷史的進程甚至會因此而重塑。

【責任編輯：艾 珂】

①光遺傳學(xué)方法用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使實驗動物大腦的某些目標神經(jīng)元受到光刺激時，會產(chǎn)生動作電位，這樣就可以用光刺激來代替電刺激，通過植入光纖把光刺激傳進大腦。該技術(shù)可避免電刺激的一些缺點，影響的范圍相對較小。