“脑机接口”横空出世

沈臻懿

看过科幻大片《阿凡达》的观众想必都不会忘记剧中的一个桥段：不幸瘫痪的前海军士兵杰克，身处潘多拉星球，头戴一套复杂设备在密闭舱内利用思维，操控着由人类基因与当地纳美部族基因结合创造出的“阿凡达” 混血生物人躯体。片中无论是所处的星球、复杂的头戴设备，還是阿凡达，都是影片的虚构产物。而当前一项名为“脑机接口”的脑力操控技术，已然横空出世，将科幻瞬间变成现实！

脑机接口技术，是将人类大脑与各类外部设备之间搭建起直接交互的信息通路。这一新科技，在未来有着较为广泛的应用前景。在康复医学与辅助医学领域，脑机接口技术就好比“读心术”的现实版本，能够帮助肌肉瘫痪与肢体运动障碍人士提升生活质量；在未来战场环境下，脑机接口技术能够全面赋予武器装备“随意而动”的智能化元素，可令士兵决胜于“无形”。士兵在大脑思维的作用下，就可以完全操控战斗机等各类武器装备；此外，脑机接口技术在大脑信号监测方面的优势，使其在记忆力训练、情绪控制训练、注意力训练等方面也有着得天独厚的巨大潜能。

探秘脑机接口技术

众所周知，生物电现象是生命体活动的典型特点之一。人类在从事各类生理活动时，都伴随着放电的过程。譬如，眼睛在睁开、闭合的过程中，会产生5毫伏左右的电压；人类在进行思考时，大脑会产生0.2毫伏至1毫伏的电压。大脑不仅是人体最为复杂的组成部分，也是一个极为精密的信息处理终端。大脑内部的数十亿个神经元通过相互连接进行着信息的传递，并在整体协作框架下完成着各类认知活动。这些神经细胞的活动，形成了电器性的变动。如果用科学仪器对大脑电位活动进行监测，即会获得如同波浪状的图案形状，其也被称之为脑电波。脑电波与大脑意识之间存在着一定对应关系，并呈现出规律性的特点。譬如，人类在紧张、兴奋、哀伤等状态下，脑电波的频率有着极为显著的差异。正是由于脑电波具有随意识、情绪波动而变化的特点，使得人类对于脑电波的研究与利用具有了现实可能性。

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）涉及人类大脑这一核心器官。就该技术中的“脑”而言，其泛指有生命体活动的大脑或神经系统；“机”则涵盖了任何能够进行处理活动的外部设备。简单来说，脑机接口技术就是在人类大脑与电子计算机等外部设备之间搭建起直接交互的信息通路。脑机接口技术的设计，有着单向传输通信与双向传输通信两种模式。脑机接口在进行单向传输通信时，主要通过对人脑电波的监测与读取，来分析、判断使用人当前的想法与意图，从而生成对应的控制指令，以操控外部设备进行运作。在双向传输通信中，脑机接口则可在人类大脑与外部设备之间搭建起双向信息交互的平台，以便于让大脑与外部设备进行互动沟通。

有别于影视作品中的艺术化加工，现实生活中的脑机接口技术面临着不少难题与考验。如何能够高效、及时地采集到大脑神经生物信号并成功予以识别、处理，如何能够将人脑的思维意识转换为外部设备操控的程序指令等等，都有赖于认知科学、深度学习、神经科学等研究领域的不断发展。不过，相较于脑机接口技术中“机”所代表的外部设备，人们更需要持续参透内在奥秘的则是人类大脑本身。我们知道，对于被誉为“三磅星球”的大脑，人们对其的认识依然存在着诸多空白。这也使得脑机接口技术尚存在诸多探秘空间。

医疗领域中读心术的可操作版本

巴西世界杯开幕式上，一名腰部以下严重瘫痪的少年在大脑思维作用下，驱动外骨骼系统开出了世界杯赛程上的第一脚球。其之所以能够用思维进行“踢球”，即是源于脑机接口技术的介入。

2008年获得金球奖的电影《潜水钟与蝴蝶》中，主人公鲍比就因为突如其来的中风，导致全身肌肉瘫痪，四肢无法动弹，唯一能做的只有眨一眨自己的左眼。对于鲍比而言，眨动左眼已然成为其与外部社会沟通、交流的唯一途径，但其大脑思维却与正常人完全一样，这种寂寞、孤独与无助，无疑令人彻底绝望。但令人倍感惊奇的是，鲍比居然仅仅靠着眨动左眼，最终完成了一部回忆录《潜水钟与蝴蝶》。对于诸如鲍比这样的肌肉瘫痪、运动障碍等残障人士而言，如何与外界沟通，传递自身思想或者实施某些活动，的确是一件极为困难的事情。但借助于脑机接口技术的发展，残障人士不仅可以实现与外界交流，更可在外部设备的帮助下实施各类活动。就此而言，脑机接口技术为残障人士提供了一个仅用思维意识，就可以与外界进行信息沟通的交流新手段。

这一技术在康复医学与辅助医学领域应用的关键，即是需要将个体大脑中的意识予以提取和解读。通过专门设备对个体的神经细胞活动进行监测，以了解和掌握其思维动态。这就如同“读心术”的现实版本，不仅可以实时了解残障人士的内心意图，亦可将其自身意图转化为对外部设备的操作与控制。脑机接口技术在医疗领域的应用，无疑可以帮助肌肉瘫痪与肢体运动障碍人士提升生活质量。加之人工智能、虚拟现实、机械外骨骼等技术的不断发展，各类融入脑机接口技术的外部智能设备也应运而生。综合了脑机接口技术与外部设备，能够基于残障人士的大脑思维作用，帮助其拨打电话、使用电子计算机；帮助行动不便的老年人或残障人士使用家用电器、驾驶智能轮椅；帮助体弱病患者或者丧失运动能力人士进行康复训练并给予护理，从而提升使用者的生活水准。

不过，这些与医疗、康复相关的脑机接口技术，大多还停留在实验室研究阶段，仍有不少现实难题需要逐步攻克。一方面，人类大脑过于复杂与精密的特点，使得现有科学对其的研究仍停留在较为初级的阶段。另一方面，如何有效监测脑电波，同样十分不易。人的大脑被紧紧包裹于头盖骨之内。从头皮开始，须历经头皮层、颅骨、硬脑膜、蛛网膜、软脑膜，才能发现蕴藏在内的大脑。前述生理结构，使得大量脑电波信号已被头骨所屏蔽。能够穿透这些组织，并传输到外面的信号已极为微弱。

脑机接口技术在测量脑电波时，多采用非侵入式与侵入式两种模式。使用非侵入式头戴设备测量脑电波信号的方法虽安全无创伤，但过程极为烦琐，且采集到的信号质量相对不高。若采用侵入式设备测量，则需要将电极植入使用者的颅腔内脑皮层之中。这一方法采集到的信号更为精准，更能有效、精确地实现交流通信。但相比非侵入式设备，侵入式设备对于使用者而言存在着更高的创伤风险。电极在植入的过程中，可能令大脑局部产生机械性损伤，并有一定的概率产生感染或脑部大出血。电极在植入后，还有可能带来人体的排异反应，从而令脑组织受损。即使前述假设均未发生，但电极自身的使用情形仍是侵入式设备的潜在风险。电极在被植入颅腔内脑皮层后，其使用寿命的长短，或者是否会受到腐蚀，是否会发生移动而偏离预设位置等，都需要持续予以关注。不过，目前已有科学研究团队基于安全无创的非侵入式方式，将脑机接口技术的脑电波监测设备整合、浓缩至类似一个头戴式耳机的体积，并仅需要有内置的金属触点，即可实现脑电波的监测与采集。这一无创性、便携式的脑电波监测设备，也为脑机接口技术的大量应用铺平了前行的道路。

在未来战场上的独特优势

脑机接口技术除了可运用于康复医学与辅助医学领域，为伤残人士提供帮助外，还可让人们仅仅使用“大脑思维”，就可以在未来的战场上，大放异彩。这一“脑洞大开”的想法看似天方夜谭，但已有科学研究项目在探索如何使用“大脑思维”来驾驶飞机。

通常情况下，飞行员与其驾驶的飞机之间有着极为密切的联系。作为一名飞行员，其需要经过前期长时间的严格训练，并需要对所驾驶飞机的性能极为熟悉。但伴随着科学家的“脑洞大开”，飞行员和飞机之间的联系愈发紧密。在脑机接口技术的帮助下，飞机驾驶舱内的传统工作已然被彻底改变。飞行员不再需要手握机械设备，仅凭大脑思维就可以控制飞机的飞行。简单来说，脑机接口技术将飞行员大脑发出的操控指令与对应的飞机升空、降落、巡航、转弯等所有飞行活动紧密连接在一起。在实验过程中，飞行员即借助该技术，利用大脑思维在飞行模拟器上遥控操作F-35战斗机。这一新科技，令飞行员不再需要历经复杂的操控训练，只需要利用大脑想象如何让飞机飞得更好，即可以实现战场环境下的获得先机。美国国防部对于这一利用大脑思维来驾驶喷气式战机的未来科技极为感兴趣，其已意识到该项新技术的应用前景。通过脑机接口作用下的精神控制系统，能够让飞行员不借助外部设备仅依靠大脑就可进行飞行控制。这不仅使得操控反应时间缩短至几毫秒，更大大提升了战机飞行员的作战效能。

脑机接口技术在武器装备创新方面也有着巨大的应用潜力。其能够全面赋予武器装备“随意而动”的智能化元素。在脑机接口技术的作用下，士兵可以直接通过大脑思维来对武器设备予以操控。利用该技术研发的认知技术预警系统，可以帮助士兵在短短数秒之内，识别出视距范围内的百余处可疑威胁目标。此外，同样利用脑机接口技术研发的脑电波遥控直升机等武器装备，其远程控制终端即是士兵的大脑。基于士兵大脑信号的远程遥控，该武器装备能够成功规避各类障碍物，大大提升了战场上士兵操作控制装备的灵敏性和安全性。

提升学习与训练的专注度

很多家长在辅导孩子学习时，往往会有诸多抱怨。孩子在看书、做题等学习时，有时难以集中注意力，或者存在专注度分散且较为多动的情形。这些现实情形的存在，也使得人们纷纷思考，有没有一种全新的技术能够在未来生活中，令学习、训练变得更为专注与有效。

脑机接口技术以其对于大脑信号监测与通信的优势，使其在记忆力训练、情绪控制训练、注意力训练等方面有着自身特有的巨大潜能。美国、韩国以及欧洲部分国家在对射箭专业运动员进行培养时，就已开始使用脑机接口技术来训练运动员大脑的专注度，从而帮助运动员有效提升自身的专业成绩。

相较于依赖身体生理活动与被试行为的反馈训练，新型的神经反馈训练则采用了脑机接口技术，从而得以对学习者或训练者的大脑活动进行实时监测。通过脑机接口相连的外部设备，监测者可以直接分析、判断学习者或训练者的大脑状态，有针对性地调整学习或训练方案，并在此基础上对学习者或者训练者进行提醒，以便于其能够根据自身的大脑活动状态来进行相应的认知调节。科学家们在经过研究后证实，基于脑机接口技术对个体大脑状态进行监测时，若发现该个体处于良好学习状态时，给予其相应的学习材料，则可以明显提升学习效果与认知强度。此外，在采用以脑机接口技术为支撑的神经反馈训练时，若发现被测试者出现有注意力分散、不集中的显现，则应及时提升训练的难度，从而令被测试者的注意力与专注度得到明显的提升。

除了以上这些个体化的技术应用外，科学家们也将关注的目光投向了脑机接口技术与大数据分析的融合。其通過将脑机接口技术监测获得的大脑信号数据与其他数据之间的大数据分析，从而得到个性化的神经预测。若人类大脑脑区之间的交流、通信程度越高，人类的推理、信息处理以及思维能力也就越强。因此，脑机接口技术与大数据分析的融合成果，可以用来对智力进行测验、对脑部疾病进行检测、对认知障碍进行分析，甚至还可在一定程度上对犯罪倾向予以判断。

编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com