当大脑连上计算机

善行无迹

看过《攻壳机动队》《黑客帝国》《环太平洋》的同学一定对其中的脑控技术印象深刻。通过对大脑神经信号的解码和编码，主人公或穿梭于真实和虚拟的两个世界，或操纵机甲外骨骼战斗。这些炫目的科技虽然各不相同，但无—例外都是依赖于对我们大脑功能的解读和发展。大脑作为我们人体的CPU，负责接收和处理所有内部和外部信息，并发出指令控制我们的行动。相比其他生命体，人类的大脑如此强大，以至于很多时候我们都“心”有余而“力”不足。而脑机接口的产生就是为了克服人类的身体限制，或者弥补机能缺陷或者增强人体功能。

脑机接口技术简称BCI或BMI，是指在大脑和外部设备之间创建直连通路，通过对大脑特定区域和功能的解码，和外部设备进行信息交换。通过对大脑信号的记录和翻译，我们不仅能真正实现“读心术”，甚至能够让肢体残缺的人重新奔跑，让普通人成为“超人”。

研究者的水晶球

就像西方的巫师通过水晶球可以窥测内心的秘密，脑机接口技术就是科学家们解读大脑的利器。自从人类意识到大脑中的信息加工和传递其实是神经元的电活动，研究者们就开始尝试解码大脑信号，深入理解大脑工作的本质。曾获得1981年诺贝尔生理及医学奖的哈贝尔教授与韦塞尔教授早在20世纪50年代开始，就通过记录猫的视觉皮层神经细胞，发现视皮层细胞能够对外界视觉刺激的不同特征产生偏好反应，至此神经科学揭开了新的篇章。五色夺人目，音律醉人耳，美味沁之心脾，现代神经科学研究告诉我们这些无非是大脑产生的电信号而已。正如《黑客帝国》中展示的虚拟世界，什么是真实？真实就是能够给我们大脑带来相应知觉体验的神经活动。既然我们对外界的刺激能够用不同的神经元发放模式来编码，那么如果我们能够“读取”并且“翻译”出神经元携带的这些信息，不就能够知道大脑在“想”什么了吗？反过来我们还可以通过人工编码神经信息让大脑直接“看到”或者“听到”。

到了20世纪70年代，研究人员就利用电生理技术（Electrophysiology）尝试将猕猴运动神经元的电信号记录下来，并成功让猕猴学会操作机械手臂，这就是脑机接口的雏形。在单向脑机接口情况下，信号只能由外部传入大脑（编码），或者由大脑传输给外部设备（解码）。而对于双向脑机接口，信息可以在大脑和外部设备间同时双向交换。相对于单向脑机接口，双向接口具备了一个闭环回路的基本条件，并能够通过闭环反馈对大脑或者外部设备进行优化配置。通过这种方式，未来我们不但可以通过意念操作外部设备，而且还可以通过直接向大脑输送信息来学习掌握知识。

“打开心扉”之路

随着神经科学技术的发展，在21世纪初，美国杜克大学和布朗大学的研究人员已经能够采用更先进的多电极阵列同时记录猕猴运动皮层的若干个神经元电信号，并且成功地预测了猕猴的运动轨迹。这些研究为下一步直接利用大脑信号操作外部设备提供了实验和技术基础。尽管目前研究人员有各种技术手段来采集和分析大脑信号，但是大部分技术只能够应用到动物研究和离体细胞研究中，一旦要应用到人的身上就会牵涉到各种技术和伦理方面的问题。这种侵入式脑机接口需要把记录或刺激电极植入到大脑中，以获得高质量的神经信号，但缺点是会引发免疫反应和产生疤痕组织，不能长时间使用。

另一种神经信号记录方式是被称为皮层电极（Electrocorticography，ECoG）的半侵入技术，它将电极本身覆盖在大脑皮层表面，尽管仍需要开颅但不会对大脑本身造成损伤。目前ECoG被较多地用于大脑损伤病人的临床研究中。相比侵入性电极，其缺点是定位不够精确，并且对于大脑深部的结构无能为力。而非侵入式记录方式则不需要开颅，只需要将电极贴在头皮上进行记录，比如脑电（Electroencephalogram，EEG），近红外成像（functional near-infrared spectroscopy，fnir）。目前非侵入性脑机接口技术广泛地用于科研中，虽然有无损伤和穿戴方便的优势，但是信噪比低，容易受到各种干扰。

双刃剑

大家也许还觉得脑机接口似乎和我们普通人相距甚远。其实一些初级的脑机接口技术已经开始应用于医疗和康复训练当中。一些研究已经将机械义肢和神经科学相结合，通过大脑信号控制机械臂来帮助残障人士恢复正常功能。随着脑机接口技术的发展，技术已经不仅仅是唯一的障碍，带来的伦理问题也显而易见。人们担心脑机接口的存在会成为黑客或者政府入侵大脑的后门，未来个人隐私如何保障，是否会成为精神控制的新型犯罪。

从广义的角度来看，所谓的脑机接口其实就是扩展大脑功能，延伸身体极限的活动或者装置。早在人类原始社会，我们的祖先就用打繩结记事这种简单粗陋的方式来扩展大脑的功能。正因为大脑的记忆能力有限，我们发明了各种方式来帮助我们记忆海量的信息，从粗糙的打绳结记事到后来的书写绘画，再到当今的手机电脑，其实都是在利用工具扩展我们大脑的记忆容量，增强大脑的各种功能。笔记本电脑、硬盘、手机并不仅仅是一部机器，同时也是我们大脑的一部分。通过“无线连接”（视觉听觉）使我们能够轻松地管理各种信息。然而过分依赖这些增强大脑记忆容量的外部设备，反而削弱了大脑的能力。回想手机出现之前，我们还多少能够记住几个重要电话号码，但现在我们又能随口报出几个常用电话号码呢？交通工具的迅猛发展在方便出行的同时又导致现代人的体力持续下降。这种生活方式的进化反而导致了某种意义上的退化，那么未来随着脑机接口技术的发展，本意为了拓展大脑功能的技术，是否反而会成为束缚人类生活的枷锁呢？我们拭目以待。