文/记者 刘辛味（实习）编辑 丁林

还记得电影《黑客帝国》中，主人公尼奥在虚拟世界Matrix中通过思维进行交流吗?

如今，随着科技进步以及一些商业巨头的介入，"脑机接口"已然成为一个热门话题。然而这项炫酷的技术能实现吗?它是否只是商业模式上的另一张“画饼”?我们在幻想未来时也应该看到目前的研究水平有限——对待超前的概念，仍应该保持理性。

如果说作为万物之灵长的人类的大脑，是眼下待解的终极谜题，那么理解了与人类接近的动物——猴子的思想，是否能让我们离那个“终极答案”更近一步？

脑机接口不难：连猴子都会

2014年巴西世界杯开幕式上,身着“机械战甲”开球的高位截瘫少年Juliano Pinto用一记开球，向全世界成功展示了脑机接口这项“通向未来”的新技术。这套装备的设计者，被誉为“机械战甲之父”的美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯日前来到北京，讲述了自己的经典实验。

尼科莱利斯的实验室里猴子比人多：有的猴子可以操作机械手，有的可以玩游戏，有的可以在跑步机上跑步……不过，这里出过的最著名的猴子，还是2003年他所主持的“理解猴子的思想”这个经典实验的主角。

2003年，尼科莱利斯团队把电极阵列植入到猴子的大脑中以检测猴子的运动意图。实验团队将一个屏幕摆在猴子面前，屏幕中有一个图形，猴子可以用一个操纵杆控制这个图形移动。这时，猴子大脑中的神经活动会被计算机记录下来。

这些神经信号经解码、翻译后，被输送到机械手臂，机械臂模仿了猴子的动作，并控制图形移动。

一段时间后，实验猴子意识到只需思考图形就可以移动图形，无需另外借助操纵杆。于是它就放弃了操纵杆，直接通过“思想”进行游戏——这表明猴子意识到了运动神经的能力，并且形成了一个很重要的概念，即这些神经细胞的活动联系到了外部的机械臂，并把它当成了自己的一部分。另外，猴子会为了控制目标而改变它的神经细胞活动，展示出了极强的大脑可塑性。

2008年，尼科莱利斯团队又为另一只名为Idoya的猴子植入了一个新的电极，新电极能记录大脑运动皮层与感觉皮层的电信号，信号经过计算机解码后发送到一个双足机器人身上，于是猴子学会了控制机器人——远在大洋彼岸、日本京都的机器人。Idoya可以在它面前的屏幕上看到机器人，并与机器人同步在跑步机上走动。团队发现，Idoya一直在思考走路时对机器人实现的控制。一小时后，研究者关闭了猴子的跑步机，但是Idoya仍然仅凭大脑活动继续引导机器人正常行走几分钟，这表明一部分不控制猴子运动反应的神经已经可以控制机器人，把它当作身体的延伸。

通过对猴子运动神经的大量研究，尼科莱利斯团队做出了较为成熟的脑机接口系统，并把这套系统应用于人类身上，比如用于辅助残疾人对假肢的操控。

▲正是基于早期在实验猴身上取得的突破，尼科莱利斯（左图）的“机械战甲”最终成为可能（来源：《国家地理》）

脑机接口：绕过神经的信息通路

脑机接口(Brain-Computer Interface，简称BCI)是在大脑和计算机或其他电子设备之间，建立不依赖于常规大脑信息输出通路(即外周神经及肌肉组织)的直接信息传输通路。简单来说，它能让使用者不需语言或者动作，就可以直接通过大脑活动来表达想法、操纵设备。

尼科莱利斯对于脑机接口这样解释：“我们收集脑电波发出的信号，再把这些信号和机器结合起来，就能够控制人为设计出来的工具的活动。该接口可以实现大脑与相关设备迅速高效地连接，无论距离远近，也无论这些机器的大小——即使它们像航空飞船一样大。”

对脑机接口技术的研究，始于上世纪70年代。加州大学洛杉矶分校的J.J.Vidal率先使用了“脑机接口”一词，指代大脑与外界的直接信息传输通路。因为提出了脑机接口的雏形，他被认为是BCI的发明者。

而脑机接口在概念之外的具体实践，其实可以追溯到上世纪20年代科学界对脑电波(EEG)的研究。脑电波图与脑部疾病的关系研究，为大脑活动的研究提供了可能性。1988年，科学家首次报告了用脑电α波信号控制移动机器人的案例，直到目前，这种无创的脑电波采集方法还是实现脑机连接的最主要方式之一。除EEG之外，脑机接口的信号采集技术还包括脑磁(MEG)、功能磁共振(fMRI)、功能性近红外光谱(fNIRS)以及有创的皮层脑电(ECoG)、神经元群体记录等。

脑机接口是一门涉及多个领域(包括神经科学、计算机科学、应用数学、生物医学工程、临床医学、心理学等)的交叉学科。受限于这些基础学科的发展，脑机接口直到上世纪末才真正快速发展起来。

目前，脑机接口的研究主要集中在听觉、视觉及与运动有关的神经受损的恢复，尤其是帮助严重的残疾患者(如脊髓侧索硬化、脑干或脊髓损伤)恢复控制身体的能力。

尼科莱利斯说，借助虚拟现实和外骨骼系统，大脑通过一点点纤维活动就可以跟外部的肌肉之间重新建立连接，而且大脑的组织方式也发生了变化——不仅能感觉运动，甚至能够排尿。“一位残疾的女士甚至决定重新怀孕，因为有了这个系统之后，她能够感觉到自己的孩子。”

▲脑机接口的实现方式（来源：《柳叶刀》）

脑机接口有输出也有输入

那么，脑机接口是如何实现的呢?大概的步骤是：将通过各种方式采集到的大脑信号先进行信息分析和解码处理，然后把它们重新编码，如何编码取决于希望实现的功能。最后一步也是最复杂的一步：把机器获得的环境反馈信息，如视觉、触觉、听觉信息等再输入大脑。

脑机接口根据信号采集方式分为侵入式、半侵入式和非侵入式。前两类脑机接口都需要实施手术，不可避免地对动物体或人体造成伤害。而非侵入式脑机接口，其实可以认为是一套可穿戴设备，非侵入的方案虽然避免了昂贵而危险的手术，但是由于颅骨对大脑神经信号的衰减作用和对神经元发出电磁波的分散、模糊效应，记录到信号的分辨率并不高。

清华大学医学院生物医学工程系的洪波教授也表示：尼科莱利斯原先的实验室工作，基本上都是植入式脑机接口，但近些年的工作都是无创的脑机接口：“这说明尽管经过这么多年，做植入式脑机接口还是很困难的。植入这么多电极，周围的神经会包裹电极，把信道降低”。

尼科莱利斯的目标是从猴到人

2014年的巴西世界杯开幕式上，年仅14岁的高位截瘫少年身着“机械战甲”，不仅实现了用大脑控制下肢运动，甚至完成了开球，可以说是非侵入脑机接口多年研究积累的一次成功展示。尼科莱利斯也因此被誉为“机械战甲之父”。

值得一提的是，这副“机械战甲”鞋子上的传感器能感受到地面和足球的压力，然后以电刺激的方式反馈给患者的肢体，不同的地面(草地、土地)反馈的电流甚至让他感受到了不同的质地。大脑可以学会理解这种感受，就像真的触觉到地面一样。

这也是尼科莱利斯团队的另一个非常重要的工作——“重新行走项目”。他们借助脑机接口技术，成功让另一位高位截瘫病人控制外骨骼系统，并重新行走，且控制肢体的反馈能回到大脑，病人可以感受到外部的触觉。这样的技术可以让患者主动参与到自身的康复过程中来，疗效远好于传统的被动式康复。

▲尼科莱利斯团队发现多只猴子能通过脑机接口协同完成任务，这暗示着“大脑联网”的无限可能性（来源：《连线》）

脑机接口未来的应用领域很多元

脑机接口在人类身上的最早应用并不是机械战甲，而是对视觉神经的辅助。早在1978年，美国生物医学研究者William Dobelle就通过神经外科手术将68个电极阵列植入到一位后天失明的残疾人视觉皮层中。病人的眼镜上，则加装了一个小型照相机，负责将信号发送到一台巨大的计算机并解码。最终，这位失明者成功地体验到了光的感觉。

在神经修复方面，与脑机接口相近的神经假体技术应用最为广泛，例如人工耳蜗。两种技术本质上相近，只是神经假体更偏向于神经之间的相连，而脑机接口是指大脑与机器直接相连。此外，两者的目标一致，都是帮助病人恢复对神经的控制。

实现信息的交流与控制，一直是脑机接口的发展目标之一。这里有一个著名的例子：史蒂芬·霍金。霍金是肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者，虽然有相对完整的思维能力，但他丧失了对周围神经系统和肌肉的自主控制能力，因而不能有效地向外界表达自己。利用脑机接口技术，他脑中所想的信息就可以被转换成可识别的活动意图，“纹丝不动”地实现信息表达。

应用在这方面的脑机接口一般分为两类，一类是基于自发性脑活动的脑机接口(如想象自己在运动)，这也更接近科幻电影中的用大脑控制物体的设定。目前这类脑机接口已经实现对轮椅、遥控器、假肢等物体的控制，它们的缺点是信息传输速率相对较慢，识别一次想象运动有时甚至需要数秒时间。

第二类是基于诱发性脑活动的脑机接口，即将待表达的高级思维活动意图，分别用不同的外部事件(如不同空间位置的图形、不同频率的声音等)进行呈现，人们通过注意特定的外部事件序列以实现意图的表达。例如应用于字符输入：著名的P300脑机接口，就是输入字符后，利用不同形式刺激呈现(如单个字符闪烁、颜色变化等)，人的注意力会集中在目标字符上，大脑对目标的响应约为300毫秒，实现了更快的思维活动状态识别(这也是P300名字的由来)。目前，由清华大学和中科院半导体所进行的视觉编码脑机接口，已经可以做到每分钟输入10个单词，接近了实用的水平。

除了辅助残疾人的主动式脑机接口应用，在基础科学研究中不断积累的经验还逐渐发展出了被动式脑机接口。通过一系列准确、可靠的实时思维活动状态识别算法，它们可用于识别人主动发起的特定思维活动，也可用于识别和连续监测人的各项基础认知功能状态，例如识别飞行员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度等，为安全作业提供了有效客观的数据。目前，这类脑机接口的初步研究已经延伸到了媒体(观众情绪体验)、教育(学习反馈)、甚至电子游戏的体验上，应用前景十分广泛。

扎克伯格、马斯克都在进军脑机接口

目前，随着科技进步以及一些商业巨头的介入，脑机接口已然成为一个热门话题。

Facebook公司提出了实现“读心术”的愿景：像科幻电影般，让人们仅利用脑电波进行交流。他们准备将脑机接口的语言输入速度提升到每分钟100字，同时打造相关商用设备。

特斯拉与SpaceX公司的创始人埃隆·马斯克则建立了“神经织网(Neuralink)”公司，并宣称要把人工智能直接植入人类的大脑皮层，从而提高人类智能——但这种方式的安全性也受到极大的质疑。

然而这些炫酷的技术能实现吗?我们在幻想未来时，也应该看到目前的研究水平有限，大热的脑机接口是否只是商业模式上的“画饼”?我们还应理性看待。

脑机接口仍面临技术难题和伦理争议

我们希望未来是美好的。但也要看到，科学界目前对大脑了解依然不够，大量的神经信号无法解码、高级意识状态难以数字化、基础研究的背后，还有一系列工程技术问题。例如中科院半导体所研究员王毅军就表示，Facebook“每分钟100字”的目标难以实现：“他们想要解码语言中枢的神经信号，但这方面离真正的技术化还有很大距离。”

除了信号解码难度极大外，信号采集方式也面临着问题。有创的脑机接口像一把双刃剑——它能够提供更好的信号质量、解码更丰富的神经活动，识别也更快更准确，但它也面临着手术感染、长时间使用产生的生物兼容性等问题。此外，还有更实际的工程问题，如带宽、供电等。

美国“脑科学计划”实现过同时记录1万个前驱细胞活动的技术。清华大学生物医学工程系的洪波教授表示：如此密集的电极插入，会破坏近一半的细胞，而且解码大脑的全部信息也仅是理论上的。

显然，在采集信号方面，无论有创无创，提高质量、保证安全都是未来脑机接口要实现的目标之一。同时，脑机接口一直以来的伦理问题也存在争议。如果未来的脑机接口果真能够读取人们的意识，必然会产生一系列的衍生问题：脑机接口是否能够完全代表人的理性思维?是否会使大脑发生改变?如果某个人使用脑机接口，在你毫不知情的情况下完全侵入并了解你的思维，就不是单纯的隐私性问题了。■