腦機(jī)接口：人“機(jī)”時(shí)代并不遙遠(yuǎn)

李驍健

在世界各民族的傳統(tǒng)文化中，有很多對(duì)于神族“超能力”的描述，比如力大無窮、能夠掌控和使用魔法等。

人類祖先對(duì)于神族“超能力”的描述，既反映了他們沒有辦法對(duì)自然運(yùn)行規(guī)律給出合理的解釋，也反映了他們對(duì)于“超能力”的向往。

在現(xiàn)代科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，有一些“超能力”，已經(jīng)成了普通人觸手可及的技術(shù)，并融入人們的日常生活。如《西游記》中描述的“千里眼”“順風(fēng)耳”，如今可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭、視頻電話實(shí)現(xiàn)大部分功能。還有如“心靈感應(yīng)”“意念移物”等，隨著近十幾年的技術(shù)突破，這些“超能力”的實(shí)現(xiàn)路徑初現(xiàn)端倪，并在可預(yù)見的未來進(jìn)入大眾生活，比如腦機(jī)接口技術(shù)。

作者： 李驍健

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所正高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師

知識(shí)鏈接：2022年11月30日，馬斯克在腦機(jī)接口公司Neuralink的活動(dòng)中展示了一只名為Sake的猴子如何通過“意念打字”，即僅用大腦控制一個(gè)虛擬鍵盤來打字。這只猴子雖然不知道如何拼寫，但它可以追蹤Neuralink在屏幕上用黃色高亮顯示的按鍵。嵌入猴子頭骨的N1芯片能夠讀取大腦活動(dòng)，以在屏幕上移動(dòng)光標(biāo)。

腦機(jī)接口是什么？

腦機(jī)接口是大腦與外界直接進(jìn)行通信的方式。計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息中介，幫助大腦實(shí)現(xiàn)和外界的直接通信。但過程中存在一定難度，畢竟在計(jì)算機(jī)CPU 芯片上“跑”的數(shù)字電路信號(hào)和大腦中的信號(hào)是不一樣的。

腦機(jī)接口有哪些用途呢？主要是做三類事情——

第一，彌補(bǔ)收發(fā)信息器官的帶寬差。比如我們通過視、聽、嗅、觸、味接收信息，再通過語(yǔ)言或動(dòng)作發(fā)出信息。但我們接收到的信息很多，能發(fā)出的信息卻比較少，所以這兩者存在一個(gè)帶寬差的問題，腦機(jī)接口技術(shù)在未來可以彌補(bǔ)對(duì)外表達(dá)能力較差的不足。

第二，如果我們的感官器官受到損傷，或許可以通過腦機(jī)接口的方式替代這些受損傷的器官，讓人能夠正常的生活、工作。希望不久的將來，很多殘疾人士都能借此獲得幫助。

第三，拋開這些感官，我們還可以通過大腦直接與外界進(jìn)行溝通，即意念交流，比如治療一些精神疾病。當(dāng)然它還有更遠(yuǎn)的場(chǎng)景，比如最近流行的“元宇宙”概念，它的終極形式是什么？虛擬現(xiàn)實(shí)的終極形式又是什么？或許就是以腦機(jī)接口這種形式呈現(xiàn)。

在科幻電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，阿麗塔的身體是一個(gè)機(jī)械體，只有大腦是她自己的。這就是一種腦神經(jīng)與電子裝置的對(duì)接方式，即腦機(jī)接口技術(shù)。這種對(duì)接方式是比較可行的，相關(guān)研究者正在努力實(shí)現(xiàn)它。

腦機(jī)接口的系統(tǒng)流程有哪些？

①腦機(jī)接口系統(tǒng)的第一段，主要通過傳感器采集腦神經(jīng)信號(hào)。

②第二段是腦機(jī)轉(zhuǎn)碼，把腦信息轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作指令，并把機(jī)械手的觸覺信息反饋回大腦。

但很多人對(duì)此存在誤解。它不是將采集到的神經(jīng)信號(hào)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并以最快的速度解算出它的意思。就像我們?cè)诰毩?xí)騎自行車、學(xué)習(xí)游泳的時(shí)候，或許摔過很多跤，也喝過很多水，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程。用腦機(jī)接口做機(jī)械手控制也一樣，腦控是一個(gè)新的技能，它也需要學(xué)習(xí)一段時(shí)間。

當(dāng)然，想要做腦控，還是需要對(duì)腦神經(jīng)信號(hào)做解碼運(yùn)算。腦機(jī)轉(zhuǎn)碼的依據(jù)也是神經(jīng)科學(xué)，主要包含兩個(gè)方面：第一個(gè)是神經(jīng)元群體編碼理論，這表明只有記錄到足夠多的神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)，才能做解碼；第二個(gè)是神經(jīng)的可塑性，使用腦機(jī)接口主要依靠大腦自行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)就是神經(jīng)生長(zhǎng)的過程，因?yàn)槿四X里的神經(jīng)生長(zhǎng)過程相對(duì)較慢，所以人腦學(xué)得也慢，如果想通過機(jī)器獲得“大力出奇跡”的速成，是無法實(shí)現(xiàn)的。所以，不要希冀裝上腦機(jī)接口就能馬上使用，還是需要花費(fèi)一段時(shí)間。

發(fā)展植入式腦機(jī)接口對(duì)人類有幫助嗎？

我們的大腦主要依靠腦的最基本的功能單位——神經(jīng)元來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，它是一種細(xì)胞。神經(jīng)元越多，力量越大。我們的大腦是由近千億個(gè)神經(jīng)元組成的，每個(gè)神經(jīng)元都在進(jìn)行信息的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)工作。神經(jīng)元又通過級(jí)聯(lián)形成通信網(wǎng)絡(luò)，它們同時(shí)進(jìn)行著信息的收發(fā)、處理和傳遞。

研究者如果想要獲得這些神經(jīng)元傳遞的信息，應(yīng)該如何操作呢？辦法就是在大腦中放入傳感器，監(jiān)聽這些神經(jīng)元的活動(dòng)，尤其是電活動(dòng)。傳感器放在哪兒呢？研究者希望把傳感器放在距離神經(jīng)元更近的位置，因?yàn)殡x得越近，清晰度越高。生物物理學(xué)研究告訴我們，顱骨和頭皮是強(qiáng)勁的電信號(hào)低通濾波器，想要獲得清晰的神經(jīng)電信號(hào)，就得把傳感器放到腦子里。

③第三段是執(zhí)行器，主要控制機(jī)械臂和手做動(dòng)作。

基本有兩種情況：一種是癱瘓者的胳膊無法使用，或者是他的胳膊已經(jīng)損失，就可以用仿生的機(jī)械臂、機(jī)械手替代自己的胳膊和手抓取東西。另一種是癱瘓者的胳膊還能動(dòng)，手也在，只是手指不能動(dòng)。這時(shí)可以通過電刺激他的小臂肌肉，做出他想做的動(dòng)作。

那么，發(fā)展植入式腦機(jī)接口對(duì)人類有沒有幫助呢？以一種罕見病“漸凍癥”為例，它是“肌萎縮側(cè)索硬化癥”的俗稱。這種病主要侵害運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，會(huì)導(dǎo)致全身各處的肌肉逐漸萎縮，是一種致命的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。大家可能對(duì)這種疾病有所耳聞，比如幾年前流行的“冰桶挑戰(zhàn)”，大家將冰水倒在身上，通過這種方式為治療漸凍癥的研究募資。

對(duì)于漸凍癥患者來說，更為實(shí)用的是豐富他們的社交生活，比如讓漸凍癥患者能與人進(jìn)行交流。除了通過對(duì)腦神經(jīng)活動(dòng)解碼并構(gòu)建語(yǔ)言合成器來實(shí)現(xiàn)講話外，腦控虛擬鍵盤打字等功能也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

精神障礙是否也可以用腦機(jī)接口治療呢？確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)。精神類疾病，一般會(huì)在多個(gè)腦區(qū)出現(xiàn)異常，如果能在多個(gè)靶點(diǎn)協(xié)同調(diào)控，治愈率可能會(huì)更高一些。但目前還需要更深入研究調(diào)控的靶點(diǎn)，確定最準(zhǔn)確的治療靶點(diǎn)及刺激模式。畢竟在人腦中同時(shí)插入十幾根長(zhǎng)電極，然后再慢慢試效果，是沒有幾個(gè)人愿意嘗試的。

實(shí)際上，植入式腦機(jī)接口已經(jīng)有幾十年的研究歷史。20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)有很多殘疾退伍軍人。為了幫助他們治療癱瘓、實(shí)現(xiàn)生活自理，美國(guó)政府開始資助研究運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)。

最后，讓我們一起暢想腦機(jī)接口未來的使用場(chǎng)景吧！如，前段時(shí)間去世的著名科學(xué)家霍金先生，一生大部分時(shí)間都癱坐在輪椅上，如果給他裝配一個(gè)靈巧的機(jī)械身體，通過腦控的方式控制它，那他就可以去到任何想去的地方了。又如，現(xiàn)在是5G通信時(shí)代，未來將邁向6G時(shí)代。6G可能會(huì)有5G千倍的帶寬，可以充分支持多人、多地域的腦信息的自由交流。大家的意念溝通可以自然地在整個(gè)地球范圍內(nèi)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)沖破地域阻隔，自由交流的元宇宙。再如，科幻電影中的阿麗塔，這種腦神經(jīng)與電子機(jī)械軀體融合的生存方式，在不久的未來也將有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)。