從科幻中走來的腦機(jī)接口

◆本刊綜合

大腦是人體最神秘的器官，即便在科技高速發(fā)展的今天，人類對大腦的了解和認(rèn)識依然十分有限，“讀懂”大腦成為一個世界性難題。

1973年，美國科學(xué)家雅克·維達(dá)爾首次提出腦機(jī)接口的概念。在這50年間，碳基生命與硅基生命的融合走出了一條呈幾何級數(shù)上揚(yáng)的曲線。近年來，腦機(jī)接口更是進(jìn)入技術(shù)飛速發(fā)展期，受到各界追捧。

腦機(jī)接口是一種在腦與外部設(shè)備之間建立通信和控制通道，通過腦的生物電信號直接操控外部設(shè)備，或以外部刺激調(diào)控腦的活動，從而增強(qiáng)、改善和延伸大腦功能的技術(shù)。本期，我們將走近硬核科技——腦機(jī)接口。

從概念到現(xiàn)實

腦機(jī)接口技術(shù)的靈感是伴隨著人類對大腦功能的探索而產(chǎn)生的。

最初，人們并沒有認(rèn)識到大腦的特殊性，更不會想到它還具有思維功能。直到大約公元162年，古羅馬學(xué)者蓋倫提出，大腦才是人類思維的主要器官。隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們對電有了初步認(rèn)識。18 世紀(jì)末，意大利科學(xué)家用生物電控制青蛙的肢體反應(yīng)，證實了生物電可以控制動物的肢體。

19 世紀(jì)，人們開始借助顯微鏡等工具觀察生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，大腦中的細(xì)胞似乎都帶著一根長長的纖維，這種纖維會延伸到身體的各個部位交錯成一張網(wǎng)絡(luò)。1888年，西班牙醫(yī)學(xué)家通過高爾基染色法對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行染色并觀察發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一個個神經(jīng)細(xì)胞組成。不久，神經(jīng)細(xì)胞被正式命名為神經(jīng)元。

神經(jīng)元的細(xì)胞膜在自然條件下存在于水介質(zhì)中。由于神經(jīng)元內(nèi)外的離子濃度各不相同，這種濃度的差異造成了細(xì)胞膜內(nèi)外的電勢差，細(xì)胞膜電位先升后降的過程被稱為“鋒電位”。

鋒電位發(fā)生在胞體和軸突的連接點(diǎn)附近，隨著軸突向其他神經(jīng)元傳播，其他神經(jīng)元則可通過樹突來接收。通過這種方法，由神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)扮演了生物電在人體內(nèi)通路的角色，各種刺激產(chǎn)生的信息以及大腦的各種指令都可以沿著網(wǎng)絡(luò)傳播。

人體內(nèi)的信息傳遞從根本上講，就是生物電沿神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)。人類可否測量或捕捉這些信息？替代這種信息傳導(dǎo)模式從而控制身體的方法真的存在嗎？連通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和外部的網(wǎng)絡(luò)，直接通過意念控制器物可行嗎？對這些問題的探索，構(gòu)成了腦機(jī)接口領(lǐng)域的主要探索內(nèi)容。

技術(shù)發(fā)展線

1970年前（理論萌芽期）

1924年，德國精神病學(xué)家漢斯·貝格爾首次記錄到人類腦部的電信號活動，并將其命名為腦電波。

1929年5月，《人類腦電圖的使用》問世，并在《精神病學(xué)檔案》發(fā)表。

1938年，美國神經(jīng)學(xué)家赫伯特·賈斯珀在寄給漢斯·貝格爾的圣誕賀卡中，暢想了從腦電波中解碼語言的可能性。這也被認(rèn)作早期對腦機(jī)接口的科幻描繪。

圖1 被認(rèn)作早期對腦機(jī)接口的科幻描繪的賀卡（圖/慕尼黑德意志博物館）

1970—1990年（概念論證期）

1973年，科學(xué)家雅克·維達(dá)爾首次提出腦機(jī)接口的科學(xué)概念與設(shè)想。人類開始通過從神經(jīng)元集合中記錄信號，并使用這些信號控制外部設(shè)備，這使得腦機(jī)接口的概念范疇得以延伸。

1999—2019年（技術(shù)爆發(fā)期）

1999年，科學(xué)家通過解碼神經(jīng)元的發(fā)射重現(xiàn)了貓看到的圖像。此外，首屆國際腦機(jī)接口會議將腦機(jī)接口“BCI”確定為特定專業(yè)詞匯，同時確認(rèn)了其科學(xué)定義和評價標(biāo)準(zhǔn)。

2005年，人類使用腦機(jī)接口成功為一名四肢癱瘓的人士提供人工手臂。

2014年，在巴西足球世界杯開幕式上，一位截癱青年身披“機(jī)械戰(zhàn)甲”開出第一腳球，展示了腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的一大步。

2016年，在天宮二號和神舟十一號載人飛行中，天津大學(xué)明東團(tuán)隊與中國航天員中心合作完成人類首次太空腦機(jī)交互實驗，實現(xiàn)了靜默交流。

2019年7月，神經(jīng)科技初創(chuàng)公司Neuralink 發(fā)布了一款可擴(kuò)展的高帶寬腦機(jī)接口系統(tǒng)。

圖2 截癱青年通過“意念”控制重獲“自由”

圖3 腦機(jī)接口技術(shù)將電極沉入大腦，再利用芯片與計算機(jī)進(jìn)行通信（圖/ CNET 網(wǎng)站 ）

2021年至今（產(chǎn)業(yè)發(fā)展期）

2021年，人類成功在一只猴子體內(nèi)植入腦芯片，使猴子實現(xiàn)通過“意念”玩電子游戲。

2023年，我國成功進(jìn)行了全球首例非人靈長類動物介入式腦機(jī)接口試驗，腦機(jī)接口成為全球科技競爭的高地。

何為關(guān)鍵

腦機(jī)接口主要分為侵入式、非侵入式以及介入式。當(dāng)前，國內(nèi)以發(fā)展非侵入式腦機(jī)接口為主，美國則以動物的侵入式實驗為主。

侵入式腦機(jī)接口的門檻較高，需在大腦中植入芯片。芯片的主要材質(zhì)是硬度最高的硅，而腦組織是人體最軟的組織之一，這兩種材質(zhì)一起“工作”就如同在豆腐上立一根針，不僅難度大，且涉及多項技術(shù)突破。避免生物學(xué)反應(yīng)是侵入式腦機(jī)接口發(fā)展的關(guān)鍵，材料的缺失是有效避免生物學(xué)效應(yīng)的“攔路虎”。

非侵入式腦機(jī)接口類似在大腦周圍通過設(shè)備接收衛(wèi)星信號，雖然接收面積大，但只要能較好匹配，非侵入式腦機(jī)接口的通信速率也能得到保障。

介入式腦機(jī)接口的創(chuàng)傷較侵入式腦機(jī)接口更小，信號質(zhì)量較非侵入式腦機(jī)接口更高。今年，全球首例非人靈長類動物介入式腦機(jī)接口試驗在北京取得成功。

腦機(jī)接口設(shè)備主要為了解決兩個問題：一是接收神經(jīng)元發(fā)送的信號，并由此推斷其中包含的信息，人們可根據(jù)需要對這些信息進(jìn)行再編碼并輸出；二是刺激神經(jīng)元，通過神經(jīng)元影響身體某些部位的行動。

當(dāng)前，腦機(jī)接口應(yīng)用正處于臨床試驗階段，還有許多技術(shù)和倫理問題尚待解決。

圖4 一款基于腦機(jī)接口技術(shù)的施工人員安全數(shù)字管理系統(tǒng)（圖/新華社 魏夢佳 攝）

圖5 美國國防部高級研究計劃局資助研發(fā)的非植入式腦外裝置（圖/中國國防報）

應(yīng)用場景多樣

現(xiàn)實中，腦機(jī)接口技術(shù)可應(yīng)用于諸多場景中。

場景一

在醫(yī)療方面，科學(xué)家們正致力于將腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用于漸凍癥、高位截癱、失語癥等嚴(yán)重的運(yùn)動感知功能受損疾病，嘗試幫助患者恢復(fù)健康。

場景二

人類借助腦機(jī)接口操控外骨骼、電子眼等設(shè)備，實現(xiàn)感官和力量的增強(qiáng)。此外，腦機(jī)接口技術(shù)還可為老年人提供做家務(wù)、日常照料等輔助功能。

場景三

借助腦機(jī)接口技術(shù)，學(xué)生可提高學(xué)習(xí)效率，教師可實時了解學(xué)生的注意力值，并據(jù)此調(diào)整教學(xué)策略。

場景四

不同于傳統(tǒng)的手柄、手勢、語音、眼動等交互手段，腦機(jī)接口技術(shù)可不依賴肌肉和外周神經(jīng)，直接與外部設(shè)備和環(huán)境建立交互，通過腦電信號實現(xiàn)“所見即所得”。

圖6 志愿者借助腦機(jī)接口技術(shù)控制機(jī)械臂進(jìn)食（圖/新華社）

在漫長的歷史進(jìn)程中，人類一次次成功獲得了改變世界的技術(shù)。腦機(jī)接口技術(shù)走過了半個世紀(jì)的發(fā)展歷程，不斷接近人們在科幻作品中看到的未來形象。腦機(jī)智能——即腦和機(jī)的智能合一的目標(biāo)或在下個50年實現(xiàn)。