腦機(jī)接口，打開“腦世界”的大門

作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表性領(lǐng)域之一，腦機(jī)接口是生命科學(xué)和信息技術(shù)深度交叉融合的前沿新興技術(shù)，也是未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

去年，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)與首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、北京天壇醫(yī)院合作，通過(guò)自主研發(fā)的半侵入式腦機(jī)接口，幫助兩位高位截癱患者分別實(shí)現(xiàn)了自主腦控喝水，以及用腦電活動(dòng)控制電腦光標(biāo)移動(dòng)。

這是否意味著腦機(jī)接口作為一種全新治療手段將很快普及？這一前沿技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用究竟還有多遠(yuǎn)？

“科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”究竟還有多遠(yuǎn)？

目前，大多數(shù)人對(duì)腦機(jī)接口的認(rèn)知還停留在科幻層面，對(duì)于身邊什么東西算腦機(jī)接口、到底是什么原理，都說(shuō)不太清楚。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子，去醫(yī)院體檢時(shí)，我們經(jīng)?？吹降哪X電圖設(shè)備，可以算作腦機(jī)接口的雛形。理解了腦電圖的原理，就能明白腦機(jī)接口的關(guān)鍵機(jī)制：大腦活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)在人身上安放電極，可以在人腦和計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系以采集這種信號(hào)。當(dāng)然，僅僅收集信號(hào)肯定還不夠，腦機(jī)接口更重要的使命是要促成大腦和機(jī)器之間的交流。具體來(lái)說(shuō)，要在獲取、整理、解碼腦信號(hào)的基礎(chǔ)上，將大腦思維轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，或者將計(jì)算機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)化為大腦可以理解的指令。實(shí)現(xiàn)了相互理解后，能更進(jìn)一步走向大腦與機(jī)器之間的相互控制。

弄清楚了基本原理，現(xiàn)在開始實(shí)操。第一個(gè)問題是——怎么在兩者之間建立聯(lián)系？

科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)的媒介包括但不限于感應(yīng)艙、頭盔、腦后插管、電子芯片，現(xiàn)實(shí)中使用的設(shè)備沒那么高端，但思路差不多，一類是要給大腦開個(gè)口子，將檢測(cè)設(shè)備放進(jìn)去；還有一類只需要貼在頭皮外面就能運(yùn)作。據(jù)此延伸出了腦機(jī)接口最基本的分類標(biāo)準(zhǔn)，前者叫侵入式接口，后者叫非侵入式接口。部分腦機(jī)接口項(xiàng)目還做了更具體的劃分，將電極深入顱骨內(nèi)、硬腦膜外的稱為半侵入式接口。

如果把人腦想象成一個(gè)雞蛋，顱骨就好比蛋殼，在顱骨下包裹大腦的硬腦膜類似蛋殼膜，腦組織就如蛋白蛋黃。如果在顱骨外探測(cè)腦電信號(hào)，雖然最安全，但信號(hào)質(zhì)量肯定是最低的；如果將電極插入腦組織中，信號(hào)當(dāng)然最好，卻不可避免會(huì)帶來(lái)?yè)p傷的風(fēng)險(xiǎn)。而把電極放置在顱骨內(nèi)、硬腦膜外——這就好比把耳朵貼到會(huì)議室的墻上聽屋內(nèi)人交談，效果肯定比在大樓外要好很多，同時(shí)也不會(huì)打擾到屋內(nèi)人。

當(dāng)然，盡管在信號(hào)質(zhì)量與人體創(chuàng)傷之間取得了一個(gè)相對(duì)平衡點(diǎn)，半侵入式腦機(jī)接口也并非“包打天下”，它有自己的適用范圍：對(duì)大腦皮層淺表層細(xì)胞信號(hào)的傳遞與收集比較擅長(zhǎng)，而對(duì)大腦皮層較深處的細(xì)胞信號(hào)處理就不如植入式腦機(jī)接口。

現(xiàn)實(shí)中，具體用哪一種，目前最主要的考量因素仍是安全問題。把檢測(cè)設(shè)備植入大腦，其難度幾乎等同于把一根針立在豆腐上，后續(xù)還可能引起人體的排異反應(yīng)，所以當(dāng)前已落地的腦機(jī)接口應(yīng)用，大部分還是非侵入式的。

然而，無(wú)論是哪種接口，就當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)看，大多數(shù)還在處理“從腦到機(jī)”方向最基礎(chǔ)的輸出和控制問題，距離科幻小說(shuō)里描述的戴個(gè)頭盔或裝個(gè)腦后插管就可以把意識(shí)上傳至虛擬世界的情節(jié)，還有很長(zhǎng)的路要走。

如何打開“腦世界”的大門？

腦機(jī)接口面臨的第二個(gè)問題是，怎么弄清楚人腦加工信息的機(jī)制？

人的大腦極其復(fù)雜，大腦皮層中有超過(guò)800億個(gè)神經(jīng)元，每秒能夠處理的信息大約為1億比特，相當(dāng)于600多萬(wàn)漢字。而腦機(jī)接口涉及的問題，如在大腦的哪個(gè)部位收集信號(hào)、如何做到低時(shí)耗甚至無(wú)時(shí)耗地傳遞海量信息、信號(hào)采集后又如何解讀等，這些都建立在對(duì)大腦機(jī)制深入了解的基礎(chǔ)上，要精準(zhǔn)構(gòu)想并實(shí)現(xiàn)以上環(huán)節(jié)的難度可想而知。

因此，盡管任何人都能從宏觀上設(shè)想腦機(jī)接口的應(yīng)用，當(dāng)下我們尚未能夠從微觀上具象化腦機(jī)接口的技術(shù)操作細(xì)節(jié)，如果說(shuō)科幻電影中關(guān)于腦機(jī)接口的想象是一座大廈，現(xiàn)實(shí)中對(duì)其的探索還只處于打地基階段。

那么，地基打得如何了？

回顧腦機(jī)接口技術(shù)50年的發(fā)展歷史，其研究和應(yīng)用不斷取得突破。

1973年，“腦機(jī)接口”概念被正式提出，隨后是近20年的理論萌芽和科學(xué)論證階段，這一概念逐漸成為學(xué)界共識(shí)。研究者研發(fā)出“P300拼寫器”、基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口等技術(shù)應(yīng)用模型，初步打通了人與環(huán)境交互所必須依賴的身體壁壘。

2000年以來(lái)，腦機(jī)接口領(lǐng)域迎來(lái)技術(shù)爆發(fā)期。一方面，早期的技術(shù)模型進(jìn)入臨床應(yīng)用階段，為個(gè)別運(yùn)動(dòng)障礙患者帶來(lái)了自主行動(dòng)的可能性；另一方面，研究人員也在不斷更新迭代腦機(jī)接口范式。

有了上述兩個(gè)階段的鋪墊，近五年來(lái)，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出一批腦機(jī)接口初創(chuàng)企業(yè)，其研發(fā)成果使得人與機(jī)器的交互性能得到很大提升，可感“觸覺”的機(jī)器人假肢、全球首例人體腦機(jī)接口芯片植入手術(shù)等，均使這一領(lǐng)域吸引了更多關(guān)注。

站在腦機(jī)接口技術(shù)的最前沿，當(dāng)下應(yīng)用可分為從腦到機(jī)的輸出型和從機(jī)到腦的輸入型。

以前文提及的清華團(tuán)隊(duì)成果為例，脊髓損傷患者利用腦機(jī)接口控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自主喝水是典型的輸出案例。在這一過(guò)程中，患者通過(guò)腦機(jī)接口，將運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的神經(jīng)信號(hào)傳遞給外界的電腦或手機(jī)，經(jīng)解碼算法破譯后，對(duì)氣動(dòng)手套進(jìn)行控制。

腦機(jī)設(shè)備還可以反向刺激腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)。比如，用腦機(jī)接口治療抑郁癥的患者，在接入神經(jīng)調(diào)控裝置后，可通過(guò)電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程控制刺激信息的輸入，一鍵調(diào)整腦波節(jié)律，從而切換到平靜、快樂的情緒狀態(tài)。

走向何方？

面向未來(lái)，腦機(jī)接口領(lǐng)域是一片值得開發(fā)的藍(lán)海，投資者用大筆資金的注入表達(dá)了對(duì)這一市場(chǎng)的信心。

《2023中國(guó)腦機(jī)接口行業(yè)研究報(bào)告》顯示，2020年8月至2023年8月，腦機(jī)接口獲得了不菲的融資額。

從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，2014年以來(lái)中國(guó)腦機(jī)接口行業(yè)的一級(jí)市場(chǎng)投融資趨勢(shì)呈明顯的上升態(tài)勢(shì)，尤其是近五年來(lái)，腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室一步步被推向了公眾視野。

跳出投資者對(duì)腦機(jī)接口的樂觀展望，也有許多人對(duì)腦機(jī)接口持保留態(tài)度?？萍寂c人的拉扯，就像葉公與龍，擔(dān)憂與期待共存于無(wú)數(shù)個(gè)可能改變?nèi)祟惖乃查g。

就像我們當(dāng)下會(huì)問：大數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)侵犯隱私嗎？ChatGPT會(huì)讓我失業(yè)嗎？同樣的問題也指向了腦機(jī)接口。比如，腦機(jī)接口會(huì)侵犯隱私嗎？會(huì)讓我失業(yè)嗎？

每個(gè)懸而未決的困惑拷問的都是人類本身——該如何對(duì)待技術(shù)、對(duì)待他人？如何定位人類、定位自己？

清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院的研三學(xué)生張昊天正在參與一項(xiàng)腦機(jī)研究項(xiàng)目，名為“想象力控制器”，他希望探索藝術(shù)和科技融合的可能性。

張昊天說(shuō)：“關(guān)鍵不在于機(jī)器會(huì)不會(huì)取代人類，或者人類會(huì)以什么樣的形式存在。人之所以是人，之所以發(fā)展科技，就是因?yàn)槲覀冇歇?dú)立的意識(shí)，有更高維的意志。正因?yàn)槲覀冇羞@樣的能力，才可以去進(jìn)行對(duì)未來(lái)的想象。”

責(zé)任編輯：丁莉莎