脑机接口：打开神经控制的黑箱

王伟

随着技术的不断完善和多学科融合的努力，脑机接口必将逐步应用于现实，造福人类。

2016年，相比火爆到不行的人工智能、VR、AR，脑机接口（Brain-Computer Interface，简称BCI）技术稍显冷门，大家普遍认为这项技术太科幻，离进入日常生活非常遥远。然而，在已经过去的一年，脑机接口领域的进展给我们带来了太多惊喜。一只猴子利用脑机接口技术在一分钟内敲打出莎士比亚的经典台词“To be or not to be. That is the question”。荷兰一名渐冻症女患者将脑机接口技术从实验室带入到家庭中，在无需任何协助下实现了与他人的思想交流。完全瘫痪的男子利用脑机接口控制机械假肢和奥巴马握了个手。脑机接口逐渐受到业界的广泛关注。

脑部是人类的神经中枢。作为人体最重要的器官之一，它承担着维系人类生存的基本任务。与此同时，几乎所有的高级神经活动都在脑部完成。如果将人体视为一台电脑，那么大脑就是运算核心。普通电脑可以通过外接硬盘、外接显卡、外接内存等方法提高性能，所以有 科学家认为，这样的“改良”同样可以适用于人脑。这种观点的产生，最终形成了研发脑机接口的动力。

什么是脑机接口

脑机接口是指创建在人类或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间的直接连接通路。在该定义中，“脑”指的是有机生命形式的脑或神经系统，而并非仅仅是抽象的心智或情感。“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以是简单电路、硅芯片或外部设备。“接口”即“用于信息交换的中介物”。脑机接口是一门多学科交叉技术，核心的学科涉及认知科学、神经工程、神经科学等。

可以预料，当这一技术发展到一定程度，人们就能够通过“外挂”外部设备的方式，来提高生物体脑部的运算能力，研发出一个足够强大的脑机接口，治愈人類的脑部疾病，并赋予人脑更强大的功能。

未来，甚至有望实现恢复部分丧失的感知能力，比如视觉；还可以将非人类感知能力转变为人类感知能力，比如对于超声波的感知能力（就像从蝙蝠身上获取这个能力一样），再比如感知磁场等，就像拥有了超能力。

脑机接口作为一种全新的控制和交流方式，还可以应用到更广阔的脑机融合领域，就是所谓的硅基生物和碳基生物的融合，打造超强人类，让人脑进一步自然延伸。

脑机接口的发展对脑电的机理、脑认知、脑康复、信号处理、模式识别、芯片技术、计算技术等各个领域都提出了新的要求，人们也会大大加深对大脑的结构和功能的认识。

脑机接口技术的实现步骤

脑机接口的实现步骤可以分为四步：采集信号、信息解码处理、再编码、反馈。

1.信息采集。脑机接口的划分形式一般以信息采集方式为标准，通常被分为侵入式、半侵入式和非侵入式。

（1）侵入式：此类脑机接口通常是直接植入到大脑的灰质，因而所获取的神经信号质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织（疤痕），进而导致信号质量的衰退甚至消失。侵入式脑机接口获取的信号是直接的神经信号。目前，这种设备主要在治疗中使用，如科学家利用侵入式脑机接口重建病人的特殊感觉，恢复瘫痪病人的运动功能。

成功案例来自一位名为威廉·多贝尔（William Dobelle）的科学家。1978年，多贝尔在一位盲人的脑内植入了68个电极组成的阵列，这一尝试使得盲人产生了光幻视（又称眼内闪光，是视网膜受到刺激时产生的感觉）。在随后的调试中，接受这种治疗的盲人能够在有限的视野内看到低分辨率、低刷新率的点阵图像。2002年，接受新一代系统治疗的患者恢复了部分视力，甚至可以在研究中心附近驾车慢速前行。同一阶段，在恢复运动功能方面，脑机接口研究也取得了显著的进展。

（2）半侵入式：接口一般被植入到颅腔内，但是位于灰质外，其空间分辨率不如侵入式脑机接口，但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。这其中最典型的例子是皮层脑电图（ECoG）。就是将与常规脑电图相似的电极直接植入大脑皮层。美国华盛顿大学的科学家曾利用这项技术让一名少年患者能够只靠脑电玩《太空侵略者》游戏。但研究者同时指出，利用基于皮层的脑电图实现超过一维的运动很困难。

（3）非侵入式：接口不进入大脑，像帽子一样方便佩戴于人体，但由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。

脑电图就是其中最典型的应用。除此之外，脑磁图（MEG）和功能性核磁共振成像（MRI）都是非侵入式脑机接口的例子。目前，非侵入式脑机接口的应用主要是收集人类脑部活动数据进行研究，而反向利用这些脑机接口作用于人脑进行治疗的尝试并不多。德国图宾根大学的科学家在20世纪90年代曾利用脑电图对瘫痪患者进行治疗，但受限于脑电图易受噪音干扰以及难于学习的特性，这一技术最终并未在治疗领域走得更远。

2.信息分析。收集好足够多的信息后，就要进行信号的解码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图、皮层脑电图等模型可以协助分析。

3.再编码。将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯喂自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制。编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口几乎可以和任何工科学科去结合的原因。

4.反馈。人类通过感知能力（视觉、触觉、听觉）感受环境并且传递给大脑进行反馈。脑机接口实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。

脑机接口大事记

虽然听上去很科幻，但能够与我们的头脑直接或间接相连的外部设备，其实早已存在。endprint

1924年，德国精神病学家汉斯·伯格（Hans Berger）发现了脑电图。这一仪器在头皮处感受人类脑部活动产生的生物电，并放大成可供分辨的脑电信号。从某种意义上来讲，当你在接受脑电图检测时，你的大脑就已经与这台庞大的机器连接在一起了。广义上讲，这也是一种脑机接口。

到20世纪90年代，美国杜克大学的米格尔·尼科尔利斯（Miguel Nicolelis）完成了对老鼠运动脑电波的初步研究后，在夜猴实验中实现了能够提取皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验。

2000年后，美国布朗大学的约翰·唐纳修（John Donoghue）小组实验表明，恒河猴可通过对计算机屏幕上的光标运动控制来追踪视觉，而猴子不需要运动肢体。

2009年，美国南加州大学的西奥多·伯格（Theodore Berger）小组研制出能够模拟大脑海马区功能的神经芯片，将该芯片植入大鼠脑内，便使其成为一种高级脑功能假体。该小组将这种神经芯片植入大鼠脑内，使其成为第一种高级脑功能假体。

2012年，巴西举办足球世界杯比赛，身着机器战甲的截肢残疾者，凭借脑机接口和机械外骨骼开出了一球。

2014年，华盛顿大学的研究员通过网络传输脑电信号实现直接脑对脑交流。

2016年12月，美国明尼苏达大学的贺斌团队让普通人在没有被植入大脑电极的情况下，只凭借“意念”，在复杂的三维空间内实现物体控制，包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。

2017年2月，美国斯坦福大学电气工程教授克里希那·申奥（Krishna Shenoy）和神经外科教授詹米·亨德森（Jaimie Henderson）发表论文，宣布他们成功地让三名受试瘫痪患者通过简单的想象精准地控制电脑屏幕的光标，这三名瘫痪患者通过想象在电脑屏幕上输入了他们想说的话，其中一名患者可以在1分钟之内平均输入39个字母。

脑机接口的挑战

脑机接口是一门复杂的交叉学科，这种交叉学科遇到两种挑战：一种是工程上的挑战，另一种是理论上的挑战。

理论研究都在努力解决这两个问题中的一个或两个：第一，“从脑到机”，如何从大脑中获取正确的信息？第二，“从机到脑”，如何将正确的信息发送到大脑？

目前来说，“从脑到机”已经取得一些研究成果，相比之下，“从机到脑”的研究要缓慢很多。原因是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态。而由“从机到脑”对神经编码知识的需求要远大于“从脑到机”。神经科学在单神经元的研究也算是逐渐明朗了，但大脑的各种神奇之处根本无法解释。

工程上的难度则在于：脑机接口行业涉及的机械动力学、神经科学、认知科学、信息工程等大量学科，需要大量各个行业的人才，不能有短板。此外，工程上更大的难度还包括成本控制，即能否通过合理的流程和工艺来降低成本实现商业化。

脑机接口的商业化方向

脑机接口未来的主要应用领域将涵蓋医疗、游戏娱乐、消费电子、商业分析、军事国防等各个行业。

医疗：主要包括帮助患者与外界交流或控制外部设备的辅助脑机接口，以及帮助患者恢复神经功能的康复脑机接口。

游戏娱乐：例如，在头戴式VR设备上安装脑机接口，与传感器的输入一起为用户提供更好的游戏体验。

消费电子：机器人、无人机、VR等消费电子产品可将脑机接口，特别是非侵入式脑机接口作为新的人机交互界面。

商业分析：可以帮助营销人员获取消费者大脑的定量信号，从而更好地了解客户需求。

军事国防：利用脑机接口实现大脑控制的机器人或无人机侦查、重型武器控制、军人之间的无声脑电交流等。

未来展望

目前，主流的消费级脑机接口研究主要运用非侵入式的脑电技术，尽管相对侵入式技术容易实现，但成本依然很高。不过，随着人才、资本的大量涌入，非侵入式脑电技术势必将向小型化、便携化、可穿戴化及简单易用化发展。

而对于侵入式技术，在未来如果能解决人体排异反应及颅骨向外传输信息减损这两大问题，电脑将会对人的思维意识进行实时准确识别。这一方面将有助于电脑更加了解人类大脑活动特征，以指导电脑更好地模仿人脑；另一方面可以让电脑更好地与人协同工作。

脑机接口是连接大脑与现实世界的桥梁之一。2016年，我们已经找到了如何建造这座桥梁的方法。2017年，我们期待脑机接口给我们带来更多的惊喜。endprint