圖片來源@視覺中國
文丨劉文元
撰寫此文的本意是希望大家能理性看待腦機接口技術，不要無腦吹。
相信大家對於科幻作品中設想的腦機接口的強大功能並不陌生。在《攻殼機動隊》和《阿麗塔：戰鬥天使》中，主角只有大腦保存完好，安裝了外骨骼之後奇蹟般地復活，在腦機接口技術的加持下，還能進行激烈刺激的戰鬥；在《黑客帝國》中，人類通過腦後插管可以在虛擬世界中生活，並且渾然不覺有任何異樣；在威廉·吉布森的短篇小説《冬季市場》中，主角患有先天性殘疾，只能依靠腦機接口控制外骨骼活動，為了擺脱羸弱的肉體，她最終將意識轉譯成計算機程序，獲得了永生……
2020年8月，埃隆·馬斯克召開了一次發佈會，展示了其投資的Neuralink公司最新的腦機接口設備。在演示中，這款設備可以記錄實驗豬腦內的神經電信號、預測它的運動。同時，他還宣稱腦機接口能夠召喚汽車、打遊戲，並且能治療諸如失聰、失憶、中風等疾病，甚至連抑鬱症、焦慮、失眠、成癮都能治療。此外，他還聲稱有望在5年內實現大腦間的直接交流，將來還能上傳和下載記憶，從而實現科幻中的“數字永生”。
看樣子，科幻成為現實指日可待了。但實際上，他所演示和聲稱的功能，有些早已經實現，還有些仍然是天方夜譚。要搞清這個問題，首先應該知道科學家們研究的腦機接口是何物，以及它們究竟能幹什麼。
何謂腦機接口？顧名思義，腦機接口（brain-computer interface，BCI）就是連接大腦與計算機之間的信息系統，可以讓大腦直接和計算機溝通。腦機接口的信息傳遞是雙向的，既能從大腦傳遞信息到計算機，進而操控與之連接的外部設備，也能從計算機傳遞信息到大腦，用電信號刺激腦神經。
腦機接口的基本組成
那麼，腦機接口是如何運作的呢？神經科學研究發現，即使神經系統和運動器官因損傷而喪失作用，只要大腦功能保持正常，那麼控制指令依然能夠通過腦電信號從大腦中傳輸出來，只不過損傷的肢體不會隨之活動罷了。人們在進行某些思維活動，或者在某些外部刺激下，腦電信號會呈現出與刺激相對應的規律性變化。因此，抽象虛擬的大腦活動，可以通過具體真實的腦電信號來表達，這種信號是大腦與外界溝通的橋樑。腦機接口即是通過檢測或影響這種腦電信號，來和神經元溝通的。
此外，腦機接口的另一個原理是大腦的功能組成。我們知道，大腦的各種功能通常由一些具體位置（即腦區）來負責，比如視覺依賴大腦枕部的區域來實現，如果該腦區受傷，就會讓視覺能力受損，此即大腦功能的局部性。同時，每種功能也需要多個腦區的協同合作才能實現，任何一個涉及到相關信息加工的腦區產生故障，都會導致人體最終的行動（語言、表情、動作等）出現問題，此即大腦功能的分佈性。這對於腦機接口採集信號或者電極植入位置的選擇至關重要。
按照人機連接的方法來劃分，腦機接口一般分為無創型（非植入型）和植入型。
無創型腦機接口
常見的無創型BCI是基於腦電圖（EEG）的腦機接口，這種記錄系統有幾十到上百個圓盤形電極，每個電極的形狀和大小跟紐扣差不多。將這些電極粘貼在頭皮上，即可記錄大腦中的電流變化。植入型腦機接口則需要通過在頭顱植入電極來記錄神經元活動，電極既可以植入到顱骨與大腦之間，也可以植入到大腦皮層內部。這幾種方法所收集的神經信號精度和強度有明顯不同：從無創型到植入型（植入顱骨和大腦之間、植入到大腦皮層內部），收集到的信號依次精度提高、強度增強。
植入型腦機接口構想圖
提取到神經信號後，還要進行解碼。就像球賽觀眾裏有兩支隊伍的支持者，一方支持者所支持的球隊進攻時，他們會發出更多的歡呼，反之，他們就比較安靜。但他們偶爾也會因為其他事情歡呼。這就相當於不同的神經元有不同的偏愛方向。查明神經元的偏愛方向後，實時記錄它們的活動，就可以猜測那個人的運動意圖。該過程就叫解碼。之後，控制系統需要根據解碼結果來控制假肢或光標，而且還能向大腦提供反饋信號，以便調節機械臂或光標等的操控。
腦機接口究竟能幹什麼？腦機接口最主要的用途就是通過接收使用者指令性的腦電信號，將其轉化為輸出，進而控制外部設備或周圍的環境（比如開關燈、控制室温等）。
從已有的報道來看，前文提及馬斯克展示和聲稱的部分功能其實早就實現了。比如無創型腦機接口，它可以探測到神經元同步活動頻率的變化，通過分析各頻率的相對強度，把分析結果反饋給使用者或實驗者，也可根據這些結果來控制目標。利用這一原理，可以有些很有趣的應用。
早在1985年，邁克爾·斯萬維克和威廉·吉布森合著的小説《空戰遊戲》中就提到了通過粘貼在耳後的控制器，來操控戰鬥機進行空戰比賽。而在現實中，市面上也有相應的可穿戴腦電波玩具了，例如讓玩家用腦電波給玩具車加速來比賽，或者戴上可以探測分析腦電波的貓耳朵，即可根據佩戴者情緒的變化做出相應的指示動作。
腦電波貓耳朵
而且，這種腦機接口還能獲取大腦對身體各部位運動的想象，例如是否在想象運動左手或右腳，在想象不同的運動時，會激活控制相關運動功能的腦區的神經元，它們附近的電極所記錄的頻率就會有所變化。軟件同時分析多電極的信號，用算法來猜測使用者的想象，從而實現讓輪椅轉彎或前行，以及控制外骨骼行走等等。除此之外，無創型腦機接口還可以讓使用者選擇屏幕上的圖標，實現打字的功能，目前的頻率已經達到一分鐘輸入上百個字母了。
2011年時，受試者就已經能夠在植入型腦機接口的幫助下，讓機械手給自己喂東西吃。
植入型腦機接口可以實現更為複雜的功能。2020年初，我國完成了首例植入型腦機接口的臨牀研究，病人進行4個月的康復訓練之後，實現了用意念控制機械臂進食、喝水和日常娛樂等行為。
當然，除了能更好地控制假肢活動之外，植入型腦機接口還可以直接讀取人想説的話。方法是用電極記錄大腦語言區的神經活動，同時讓受試者閲讀或默唸一些句子，然後分析獲得腦電信號各頻率的相對強度，再根據這些頻率找出腦活動對應的語言。瞭解到腦電頻率和語言之間的關係後，就能把記錄到的信號轉換成句子，即便不開口，機器也能瞭解並表達使用者想説的話。
我國首例接受植入型腦機接口手術的患者
近年來，腦機接口在醫學康復領域的應用也逐步興起。比如中風損壞的是大腦皮層的運動中樞，傳統的物理訓練康復只是活動胳膊和腿腳，效果並不很好。
如今，基於腦機接口開發了一種主動的訓練方式，即讓中風病人想象癱瘓肢體的運動，在想象時，腦電是有反應的，從而可以通過腦機接口系統測量到這種腦電信號，一旦發現病人真的想動時，再去啓動訓練的機器人，這種訓練方式非常有效。
2014年，天津大學神經工程團隊研製了一套應用於全肢體中風康復的人工神經機器人系統“神工一號”，該系統融合了運動想象BCI和物理訓練康復療法，在中風患者體外仿生構築了一條人工神經通路，通過模擬解碼患者的運動康復意念信號，驅動神經肌肉電刺激產生對應動作，在運動康復訓練的同時，促進患者受損腦區功能恢復以及體內神經通路的可塑性修復和重建。
此外，腦機接口也能應用到健康人的訓練當中，比如可以探測到優秀射擊選手執行任務時的腦狀態，因此，把腦活動及時反饋給射擊選手，讓其瞭解自己距離優秀水平還有多大差距，從而調整腦狀態，儘快達到優秀水平。
人工視網膜系統
以上介紹的都是用腦機接口讀取大腦信號，然後將解碼的信息發送出去，以實現某種目的。除此之外，腦機接口也能向大腦傳遞信息，刺激電極周圍的神經元，既能提供反饋（比如用機械臂抓握玻璃杯時，通過相應的反饋來調整抓握力度），也能產生人工觸覺、人工視覺和人工聽覺。
不過，腦內電刺激還處在實驗階段，相比之下，神經接口電刺激（對大腦以外的神經進行電刺激的技術）發展較為成熟，一些利用該技術的神經接口產品已經上市，比如人工耳蝸和人工視網膜，分別是用電刺激來激活聽覺神經和視網膜裏的神經元，從而讓患者重新獲得聽覺和視覺，前提是聽覺神經和視網膜神經，以及相關的神經中樞都完好無損。
深部腦刺激馬斯克也提到腦機接口將來可以治療抑鬱症、失憶等大腦深部病變導致的神經精神疾病，利用的就是腦內電刺激。事實上，對於這類疾病，已經有相對成熟的治療手段了，這種技術叫做“深部腦刺激”，俗稱腦起搏器。
腦起搏器治療帕金森病示意圖
腦起搏器最主要的應用是治療帕金森病。迄今為止，全球已經有超過10萬名帕金森病和其他神經精神疾病患者因此受益。以治療帕金森病為例，腦起搏器的電極植入丘腦底核區域，脈衝發生器植於胸前皮下，延長導線則在皮下連接脈衝發生器和電極。手術完成後，腦起搏器會發出一定頻率的電刺激脈衝，通過電極觸點作用於丘腦底核區域，調節大腦內異常的神經活動，從而達到改善症狀的作用。
除了帕金森病之外，腦起搏器對於原發性震顫、肌張力障礙、慢性疼痛等疾病都有很好的效果，神經科學家也在積極探索將其用於癲癇、抑鬱、強迫症、老年痴呆、成癮等神經精神疾病的可能性。
一般來講，腦機接口和腦起搏器的電極植入的腦區是不一樣的。由於運動中樞、感覺中樞、聽覺中樞、語言中樞等均位於大腦皮層，所以植入型腦機接口的電極需要植入皮層，而腦起搏器的電極需要植入大腦深部，例如治療帕金森和抑鬱症的靶點分別位於丘腦和扣帶回膝下部，植入皮層的腦機接口電極恐怕“鞭長莫及”。對外宣傳中談及的腦機接口有望治療各種神經精神疾病，往往指的是深部腦刺激。當然，也可以將它看做另一種類型的腦機接口。
前路迢迢有相關研究者設想，到2030年，無創型腦機接口技術發展成熟，癱患者可以直接用大腦控制輪椅，外骨骼系統也開始上市。2050年，植入型腦機接口風險大大降低，健康人也願意使用，安裝第五、第六肢體，士兵還能植入整合了近紅外、聲納等技術的“眼睛”。2070年，可用植入芯片來提高人的智能，大腦提取芯片裏的知識，就像提取記憶中從學校上課學到的知識一樣方便……但這些設想實現的前提是：腦機接口的發展必須十分順利。
儘管已經取得了諸多成績，但到目前為止，腦機接口基本上還處於實驗室展示的水平，距離真正的商業化應用還有很長的路要走，它還面臨着很多亟待解決的難題——
- 腦科學問題：腦部疾病的致病機制尚在研究當中，這些問題沒有研究明白，腦機接口就不可能有成熟應用。
- 腦電信號採集的準確性：如果要實施精確監測，必須在腦內植入大量電極。然而，大腦皮層中有上百億個神經元，一個電極記錄的是皮層千千萬萬的神經元電信號，不可避免地會受到其他信號的干擾。想要實現真正的精確測量，簡直困難重重。哪怕將來達到幾萬個電極，對於天文數字的神經元來説，也只是九牛一毛。而且，這麼多的電極如何植入到大腦裏？如何處理海量的數據？一般的計算機很可能實現不了這種超算功能。
- 安全性和植入電極的工作壽命：將數量巨大的電極植入皮層中，需要打開顱骨，還要保證不引起出血等損傷，難度非常之高。而且我們身體的免疫組織會長期攻擊植入電極，免疫細胞會將它們包圍起來，形成疤痕組織，所以電極的記錄質量會慢慢下降，長則幾年，短則幾個月，電極就完全監測不到神經元活動，如果需要再次使用，就得重新植入電極。這也增加了損傷大腦神經元和感染的風險。
- 神經解碼和編碼：目前仍然是“黑箱”。腦機接口只是將複雜的神經元活動還原成簡單的腦電波數據，解碼的精確度還是太低了。而且，解碼對應的是“從腦到機”，是“猜測”使用者的“運動意圖”，與“解讀意識”完全不是一個概念，而編碼對應的是“從機到腦”，更是難上加難，基本還處於完全的未知狀態，再加上科學家對於“意識”本身的機制還沒研究清楚，所以意識上傳、數字永生還是科幻構想，恐怕我們有生之年都見不到那天的到來。
- 通信速度慢：腦機接口最大信息轉換速度只有每分鐘100比特左右，這個效率遠遠達不到正常交流的水平，也無法控制外接設備做出複雜且流暢的動作，更何談像《空戰遊戲》中那樣操控戰機進行激烈的比賽？
此外，腦機接口是一門複雜的交叉學科，涉及到神經科學、認知科學、機械動力學、信息工程學、材料學等，任何一個學科有短板，都會嚴重製約腦機接口的發展。
腦-腦接口初露曙光值得一提的是，在腦機接口發展的過程中，還出現了一種叫做“腦-腦接口”的技術。2009年上映的電影《阿凡達》就對此有過展示：人類可以通過腦對腦的直接信息傳遞，遠程控制潘多拉星球上經過改造的納威人的身體。事實上，這絕非異想天開。有研究表明，從一隻動物的大腦皮層提取神經電生理信息，將其解碼之後，的確能刺激另一隻動物的大腦皮層。
2014年，上海交大的研究團隊申請了一項腦-腦接口的發明專利，其工作步驟是：視頻監控動物的運動信息，傳輸至腦機接口的實時控制界面，控制者（人）在控制界面看到動物的運動狀態，然後表達其大腦控制的意圖，腦電採集模塊會採集控制者的腦電信號，發送至計算機端的處理模塊，最後將解碼後的信息發送給動物的神經電刺激電極，進而控制動物的運動方向。簡單地説，它其實包含了兩套腦機接口系統，分別在受控動物和控制者兩端。其目的是利用動物的特長，讓它們在人類的控制下，代替人類完成我們不能和不敢的特殊任務，比如搜索、探險等。
2018年，美國華盛頓大學的研究團隊首次成功建立了多人腦-腦接口系統，成功合作完成了俄羅斯方塊遊戲。他們將三名受試者分成兩組，其中二人可以看到完整的遊戲界面，並通過腦機接口發出是否旋轉屏幕上最新出現的圖形角度的指令，第三個人接收到指令來實施操作，平均正確率高達81.25%。該研究展示了利用連接大腦的“社交網絡”協作解決問題的可能性。
不過，由於涉及到提取腦電信號、解碼、將解碼信息傳遞到正確的神經環路等高難度過程，此前的腦-腦接口信息傳遞速率只能達到每秒0.004~0.033比特，這是制約該技術發展的主要瓶頸之一。
2020年初，北京腦科學與類腦研究中心的科研人員提出了一種新型的腦-腦接口，有望解決這一問題。他們先是用光纖記錄系統從“控制鼠”的大腦神經元中提取運動信息，然後將其解碼，進而通過光遺傳學[1]刺激“阿凡達鼠”的特定神經元，其信息傳遞速率達到了每秒4.1比特，比之前的同類研究高出2~3個數量級，實現了兩隻動物的高度同步化運動，從原理上驗證了跨個體精確控制動物運動的可能性。
基於光學記錄和刺激的腦-腦接口實現了兩隻動物間的運動信息傳遞
從系統構成來看，腦-腦接口與腦機接口密不可分，腦機接口的瓶頸也是腦-腦接口需要克服的，與此同時，腦-腦接口或許還存在專屬於它的難題。雖然困難重重，科幻作品中設想的終極目標也不一定能變成現實，但腦機接口和腦-腦接口有望實現生物智能與機器智能的融合，使大腦與大腦之間、大腦與計算機之間直接進行溝通，前景可謂十分廣闊。全世界的科學家正在努力鑽研，未來一旦取得重大突破，人類歷史的進程甚至會因此而重塑都是有可能的。
[1] 光遺傳學方法用轉基因技術，使實驗動物大腦的某些目標神經元受到光刺激時，會產生動作電位，這樣就可以用光刺激來代替電刺激，通過植入光纖把光刺激傳進大腦。該技術可避免電刺激的一些缺點，影響的範圍相對較小。