超越想象的力量：腦機接口創(chuàng)造未來

2019年，埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司首次宣布在猴子身上開展腦機接口設(shè)備的測試，為未來的研究鋪平了道路。隨后，該公司發(fā)布了一段展示了一只被植入了腦機芯片的猴子通過心靈感應(yīng)玩游戲的視頻，這一視頻引起了社會廣泛的關(guān)注。2022年，該公司公布了一只名為Sake的猴子，它能夠通過意念控制虛擬光標(biāo)進(jìn)行打字，這一成就再一次引起了人們對“腦機接口”的激烈討論。

然而，腦機接口并非首次在猴子意念打字這一事件中亮相。早在許多影視作品中，如《黑客帝國》《阿凡達(dá)》《盜夢空間》等，就展現(xiàn)了人類對大腦意識工作未來的期盼，設(shè)想了腦機接口技術(shù)的可能性。甚至在2023年我國大型科幻影片《流浪地球2》中也出現(xiàn)了利用腦機接口技術(shù)提取人體意識的橋段，為人們描繪了一個更加高度數(shù)字化的未來世界。近年來，國內(nèi)的科幻熱潮不斷升溫，這些影視作品以及一些科幻文學(xué)作品都富含對未來的設(shè)想。透過這些影視作品可以發(fā)現(xiàn)，我們對未來的設(shè)想一部分是可以通過“腦機接口”這一關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)的。

那么，究竟什么是腦機接口呢？腦機接口具體能夠?qū)崿F(xiàn)什么功能呢？它是否會如電影中那樣實現(xiàn)人類的意識直接交流呢？

腦機接口是什么？

腦機接口（Brain Computer Interface，簡稱BCI）是一種建立在大腦與外部設(shè)備之間的直接連接，以實現(xiàn)腦部與設(shè)備之間信息交流的技術(shù)。通過腦機接口，人們能夠直接將大腦活動與計算機、機器人等設(shè)備相連接。這就意味著，我們可以通過純粹的思維，控制外部設(shè)備的運動、表達(dá)和功能。想象一下，只需輕輕一想，你就能讓電視換臺，讓輪椅自如地移動，甚至可能通過純粹的腦力，書寫文字或繪畫。

腦電信號產(chǎn)生的基礎(chǔ)

前文提到，腦機接口作為外界與大腦交流的工具，傳遞著大腦向外界釋放的信息，這些信息是由腦電信號構(gòu)成的。

首先，讓我們來認(rèn)識神經(jīng)元，它們是大腦內(nèi)部信息傳遞的基本單元。正是通過神經(jīng)元間的交互，腦電信號得以誕生。為了更好地理解腦電信號的產(chǎn)生，可以將神經(jīng)元形象比作微小的“漏水袋”。這個“漏水袋”的外表由磷脂雙分子層構(gòu)成，它具有選擇性地允許某些微小“客人”（即離子）穿越。這個“漏水袋”通常漂浮在兩種不同液體中，從而形成了內(nèi)外電荷差異。

當(dāng)神經(jīng)元受到強烈電信號的刺激，它就像被輕輕戳了一下，此時“漏水袋”的外部突然會開啟，內(nèi)部的鈉離子便如涌浪一般涌入，“漏水袋”的電荷瞬間增加。當(dāng)電荷達(dá)到一定程度后，另一種叫做鉀離子的微小“訪客”門也會迅速打開，鉀離子會迅速涌出，從而使電荷減少。這種電荷迅速增加后又迅速減少的過程被稱為“鋒電位”。它首先在神經(jīng)元的中心（胞體）和一條長管（軸突）的連接點產(chǎn)生，然后沿著軸突擴散，如同海浪一般傳播出去。其他神經(jīng)元通過樹突這種微小的“感應(yīng)器”來感知這一系列電荷變化。

這些神經(jīng)元通過這種微妙的電信號連接在一起，就如同構(gòu)成了一條信息傳遞的高速公路。而腦電信號則類似于身體內(nèi)的電子郵件，它攜帶著大腦的指令和信息，向外界傳遞。通過這種精妙的電信號傳遞機制，大腦內(nèi)的信息得以溝通，各種活動、思維和情感等也在其中發(fā)生。深入了解這些微弱的電信號，有助于我們更好地探索大腦的奧秘，同時也為開發(fā)腦機接口技術(shù)打下基礎(chǔ)。

工作原理

腦機接口技術(shù)通過采集不同腦功能區(qū)域位置和深度的腦電信號，對其進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理操作，最終實現(xiàn)對大腦活動狀態(tài)或意圖的解碼。

在采集信號時，大腦由于受試者自身受到刺激或者受試者本身進(jìn)行思考進(jìn)行神經(jīng)活動，產(chǎn)生腦電信號，通過腦電采集設(shè)備進(jìn)行采集。依據(jù)電極所放置的深度，腦機接口分為非侵入式BCI、半侵入式BCI和侵入式BCI。并且隨著深度的增加，采集到的腦電信號的空間分辨率也在逐步增加。一個完整的腦電采集系統(tǒng)包括電極（用于采集信號）、放大器（對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理以便后期使用）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)記錄計算機。

采集后的信號通常會進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、特征分類等數(shù)據(jù)處理操作。預(yù)處理的目的在于處理腦電信號中含有的干擾信號，具體步驟包括濾波、重參考、分段和極限校正、排除或插值壞通道、剔除異常段落、偽跡去除等。隨后，經(jīng)過預(yù)處理的信號會傳遞至特征提取模塊，以便發(fā)現(xiàn)代表性的特征，從而對信號的含義進(jìn)行解讀。腦電信號的特征可分為四種類型：時域特征、頻域特征、時頻域特征和空間域特征。常見的特征提取方法包括功率譜密度、連續(xù)小波變換和共空間模式（CSP）等。最終，在特征分類模塊，依據(jù)剛剛提取的特征解碼得到信號含義，進(jìn)而傳遞到我們輸出模塊，即控制外部設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用。除此之外，有時我們也會把腦機接口的輸出通過某種形式反饋給用戶以獲得更好的性能或滿足某種需求。

腦機接口技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是一個令人興奮且廣泛的領(lǐng)域，它具有多種功效，包括監(jiān)測、替代、改善恢復(fù)、增強和補充。這些應(yīng)用潛力不僅在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，還延伸至生活、教育、娛樂以及軍事領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的可能性。

在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機接口顧名思義是從大腦出發(fā)的技術(shù)，是隨著醫(yī)學(xué)對大腦的研究逐步深入應(yīng)運而生的。這項技術(shù)自然最先應(yīng)用在了醫(yī)療上，而醫(yī)療也是目前腦機產(chǎn)業(yè)商業(yè)應(yīng)用最成熟、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的行業(yè)，集中在疾病診斷和治療領(lǐng)域，已經(jīng)普及的應(yīng)用包括肢體運動障礙診療、認(rèn)知與意識障礙診療、精神疾病診療等方面。在此之上，腦機接口可以促進(jìn)腦部神經(jīng)的修復(fù)，目前廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，潛力巨大。

在肢體運動障礙診療方面，腦機接口技術(shù)的應(yīng)用方式主要有兩種：一種是輔助性腦機接口，用于幫助患者控制假肢或外骨骼等外部設(shè)備；另一種是康復(fù)性腦機接口，利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，通過反復(fù)作用于大腦，促進(jìn)神經(jīng)元之間的聯(lián)系，實現(xiàn)修復(fù)。2022年6月，一家名為Synchron的腦機接口公司（這家公司被業(yè)界認(rèn)為是Neuralink的最大競爭對手）在美國紐約的西奈山醫(yī)療中心采取了一種半侵入式的技術(shù)幫助一位漸凍癥的患者將自己的思維傳達(dá)給其他人，從而實現(xiàn)與他人的交流。 2023年5月，來自洛桑瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的團隊在Nature期刊發(fā)表研究論文，研究接口成功幫助慢性四肢癱瘓患者自然控制腿部在站立、行走、爬樓梯甚至是經(jīng)過復(fù)雜地形時的運動。2023年8月，來自斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家弗朗西斯·威利特（Francis Willett）的團隊和來自加州大學(xué)舊金山分校的華裔科學(xué)家張復(fù)倫團隊的兩篇研究論文登上Nature期刊，研究為那些無法說話的人提供了以接近正常說話的速度進(jìn)行交流的能力。

在認(rèn)知與意識障礙診療方面，腦機接口技術(shù)在慢性意識障礙診療領(lǐng)域的研究漸有成效，用腦機接口設(shè)備獲取并分析患者的腦電信號，可以實現(xiàn)意識障礙診斷與評定、預(yù)后判斷，實現(xiàn)與患者的交流。2020年5月，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、中國科學(xué)院靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點實驗室王立平研究組與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科毛穎/吳雪海團隊，發(fā)表合作研究論文，幫助臨床醫(yī)生對意識障礙患者的意識水平進(jìn)行診斷和預(yù)后判斷，為意識障礙患者的臨床診療提供了新的參考。2021年1月，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科意識障礙病區(qū)開科，投入運用神經(jīng)調(diào)控、腦機接口等技術(shù)幫助意識障礙患者診療。對于認(rèn)知障礙疾病，2016年美國南加州大學(xué)Theodore Berger教授團隊證實大腦信息可通過硅芯片的電信號進(jìn)行復(fù)制以實現(xiàn)記憶移植，植入芯片可以幫助局部大腦受損、中風(fēng)和老年癡呆癥患者恢復(fù)記憶。埃隆·馬斯克的公司Neuralink也在研究侵入式腦機接口技術(shù)，用于幫助因患上老年癡呆等疾病而失去記憶的人找回記憶。

在精神疾病診療方面，腦機接口研究的進(jìn)步可以提高強迫癥、抑郁癥、精神分裂癥等疑難精神疾病的研究和診療水平。部分科研機構(gòu)和科技公司正在開展相關(guān)研究，如Neuralink正在探索解決精神分裂癥和失憶等精神疾病的方法，Alphabet的Amber項目則旨在通過腦機接口設(shè)備獲取并分析腦電波，開發(fā)幫助診斷抑郁癥的方法。基于腦機接口的神經(jīng)反饋訓(xùn)練在精神疾病康復(fù)治療方面正發(fā)揮著積極作用。2020年底上海瑞金醫(yī)院成立“腦機接口治療難治性抑郁癥”的臨床研究小組，目前已有26位患者參與，抑郁狀況平均改善60%。用一個開關(guān)控制人的情緒，只需要打開開關(guān)，就能讓人或喜或悲，這種似乎是科幻片中的場景已經(jīng)發(fā)生在了腦機接口對抑郁癥的臨床應(yīng)用中。

此外，腦機接口在癲癇與神經(jīng)發(fā)育障礙診療和感覺缺陷障礙診療方面也有多種成熟應(yīng)用。例如，在癲癇診療中，通過腦電輸出判斷大腦功能和疾病信號，通過腦電刺激或手術(shù)切除等方式治療癲癇網(wǎng)絡(luò)。2020年美國貝勒醫(yī)學(xué)院的研究團隊通過腦機接口技術(shù)成功在盲人腦海中呈現(xiàn)指定圖像，幫助恢復(fù)視覺。同年，俄亥俄州的研究人員使用腦機接口技術(shù)放大脊髓損傷患者手上殘余的觸覺信號，并傳遞給大腦，幫助恢復(fù)觸覺和部分活動能力。2021年天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊聯(lián)合國家兒童醫(yī)學(xué)中心等，在兒童聽覺康復(fù)方面利用腦電技術(shù)提供有效的人工耳蝸植入評估方法。

生活、教育、娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機接口在生活中的應(yīng)用也是數(shù)不勝數(shù)的。腦機接口技術(shù)可以運用到教育、娛樂和衣食住行等各個方面。在教育方面，BCI技術(shù)可以用于監(jiān)測使用者的大腦狀態(tài)，尋找大腦狀態(tài)與學(xué)習(xí)效率的關(guān)系，進(jìn)而建立起個性化的更高效更輕松的學(xué)習(xí)模式。在娛樂游戲方面，2023年蘋果公司發(fā)布的Vision pro就搭載了腦機接口，通過從傳感器獲取用戶數(shù)據(jù)來感知用戶情緒、預(yù)判用戶行為，進(jìn)而提升用戶體驗。將BCI技術(shù)與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)相結(jié)合，利用佩戴在玩家頭皮上的傳感器采集腦信號，然后由解碼算法將傳輸至計算機的信號轉(zhuǎn)化為游戲中待執(zhí)行的指令，就可以實現(xiàn)用“意念”玩游戲。這不僅提升了游戲的娛樂性，也在很大程度上提升了一些肢體障礙的玩家玩游戲的友好度。2023年7月一位脊髓性肌萎縮癥患者使用openbci公司的腦控VR產(chǎn)品Galea成功控制了無人機進(jìn)行一系列操作。在日常生活方面，人們可以借用腦機接口，就像用遙控器一樣使用“意念”控制燈、門、窗簾等的開關(guān)閉合，更上一層樓則可以接入物聯(lián)網(wǎng)控制智能家用機器人或智能電器等，還可以將腦機接口與通信系統(tǒng)結(jié)合，用于無人駕駛汽車的開發(fā)。2022年11月BrainCo 強腦科技推出了腦機智能安睡儀和智能仿生手，利用腦機接口助力睡眠質(zhì)量提升和殘障人士生活。當(dāng)然，我們不可能為了這些技術(shù)專門去做個開顱手術(shù)，所以若想將腦機接口技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于日常生活，還是要依托于非侵入腦機接口技術(shù)。除此之外，還要進(jìn)一步優(yōu)化腦電采集設(shè)備，增加其便攜性和使用的簡潔性。

除此之外，腦機接口還會被應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，提高軍事水平。利用腦機接口技術(shù)培養(yǎng)超級戰(zhàn)士，已經(jīng)不只存在于科幻之中?？傊?，腦機接口技術(shù)在各方面都有廣泛應(yīng)用，但是我們必須要注意合理、合法以及符合倫理道德。而當(dāng)前國內(nèi)的研究在醫(yī)療領(lǐng)域可能更多一些。

腦機接口技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新為我們打開了觀察大腦奧秘的一扇新窗口。通過捕捉微弱的腦電信號，經(jīng)過精密的處理和解碼，我們能夠與大腦進(jìn)行直接交流，實現(xiàn)意念驅(qū)動的控制，這仿佛是科幻世界變?yōu)楝F(xiàn)實。從那只操縱游戲的猴子到復(fù)雜的運動控制，腦機接口展現(xiàn)了其在醫(yī)療、生活，甚至軍事等領(lǐng)域的無限潛能。

然而，腦機接口技術(shù)的道路上仍然有挑戰(zhàn)和待解決的問題。我們需要克服信號干擾、提升精確度等，以更好地應(yīng)對日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。同時，關(guān)乎個人隱私和倫理的問題也需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目剂亢凸芾怼?/p>

隨著技術(shù)的進(jìn)一步突破，腦機接口將繼續(xù)深刻改變?nèi)祟惻c科技的互動方式，為殘疾人士帶來新的可能，為科學(xué)研究提供前所未有的工具，甚至探索我們自身意識和思維的奧秘。未來，隨著科學(xué)家和工程師的努力，我們或許將邁入一個能夠與大腦進(jìn)行深入溝通的新紀(jì)元，為人類創(chuàng)造更加美好的未來。

腦機接口技術(shù)，正引領(lǐng)著我們進(jìn)入一個全新的智能時代，讓我們?yōu)橹诖?，也為之努力?/p>

圖文來源：中國自動化學(xué)會