脑机“互联”让“脑控”不再遥远

陈菁菁 高小榕

在电影《阿凡达》中，地球人杰克·萨利骑着美丽的怪兽托鲁克来到潘多拉星，以帮助纳美人抵抗地球人的侵略，拯救潘多拉星。而纳美人对凶猛无比的托鲁克十分敬畏，看到杰克·萨利竟可以将其征服时，便惊呼他为魅影骑士，并接受了他的到来。像科幻电影中这样用思维随心所欲地控制坐骑的现象，在现实中可以实现吗？答案是：有可能。

脑机怎么“互联”？

在日常生活中，人们总是通过动作、语言和表情等来表达自己的所思所想。那是不是有一项技术可以让人不需任何动作，直接通过脑电波就能表达自己，与外界进行交互呢？答案是肯定的。而这种技术就是脑机接口（Brain-Computer Interface）技术。脑机接口，顾名思义，是一种希望在大脑和计算机之间直接建立联系的技术，这项技术可以实时记录大脑的活动情况，将其中携带的信息“解读”出来，变成计算机和其他设备也能明白的指令。这项技术的初衷是帮助像史蒂芬·霍金那样因为疾病无法再自如活动、表达的群体重新获得与外界交流的能力，但近些年来其涉及领域不断扩展，开始应用于康复、教育和娱乐等领域。并越来越多地受到普通人的关注。

根据获取脑活动的方式，一般可以将脑机接口分为两类。一类是侵入式脑机接口，即通过开颅手术直接在大脑皮层植入电极来记录脑活动。侵入式脑机接口由于可以直接监测到大脑皮层的活动，因而采集到的数据质量较好，可以实现比较复杂的信息读取。2019年，加州大学旧金山分校的科学家就基于侵入式脑机接口技术实现了“读心术”：通过实时读取大脑信号，科学家可以将人们心中默念的句子播放出来。不过值得注意的是，这项技术并不是直接把思维转换成语音，而是首先从脑活动中解读人们的发声器官（嘴唇、舌头和喉咙等）的活动情况，再根据发声器官的活动和说话声的对应关系。最终判断人们想说的是什么。虽然侵入式脑机接口的应用更接近人们对“意念控制”的畅想，但因为安全性和手术成本等问题，目前还处于实验室探索阶段。

相较之下，非侵入式脑机接口距离日常生活就近了许多。非侵入式脑机接口只需要像戴帽子一样佩戴上脑电采集帽就可以实现。但由于这种方式记录到的脑信号是透过厚厚的颅骨传出的，信号质量相较于侵入式脑机接口获取的要差，利用这些信号解读人们自由的畅想会很困难。为了解决这一問题，科学家们想到，也许可以借助外加刺激使大脑的状态更容易解读。例如，因为大脑存在跟随效应。如果以一定规律对人施加外部刺激（例如让人看一个每秒闪烁15次的小方块），就会发现从头皮上记录到的脑信号也具有对应的规律（每秒起伏15次），所以，如果给人呈现以不同规律闪烁的小方块，并给它们预先设计好不同的含义，那通过分析脑信号的规律，不就可以知道人在看哪个方块，想要输入哪种指令了吗？

正是利用这种思想，清华大学医学院神经工程实验室的科学家们设计了一套脑电波打字系统，并成功地帮助一位全身仅有嘴角、眉毛和眼球可以活动的渐冻症患者重新获得表达自己想法的能力。而在2019年世界机器人大会的脑控机器人大赛上，这种脑电波打字系统实现了每分钟691.55比特的信息传输率，表明该系统技术上限是可以实现0.413秒输出一个英文字符，已经和直接用手敲击键盘的速度相差无几。

脑机“互联”能做什么？

脑机接口在临床方面有很广泛的用途。例如，脑机接口有望帮助患者重新获得运动能力。在2014年巴西世界杯上，在脑机接口技术的帮助下，一位瘫痪的年轻人通过控制外骨骼开出了比赛第一球。脑机接口也被用于中风康复，在实际使用过程中，患者需要想象自己原本无法活动的肢体正在活动，脑机接口解读出这种意图后，会控制外骨骼康复设备移动患侧肢体，使其真地动起来。研究表明，这种需要患者主动参与的康复方法有助于断裂神经的再生。并越来越多地受到关注。此外，脑机接口对于自闭症、多动症等与大脑相关的疾病的治疗也有一定的作用。

脑机接口还可以用于解读人的专注度、放松度、疲劳度和情绪状态等。例如，通过脑机接口技术对学生听课的投入程度进行实时分析，老师们就可以根据同学们的状态调整教学内容：如果走神的同学比较多，那么可以讲点有趣的故事;如果发现同学们很累，那么可以放慢课程节奏。这种个性化的解决方案在网络授课这种没有老师在场的环境中十分有意义。在娱乐行业，脑机接口除了可以利用思维解读实现脑控无人机、脑控赛车等小游戏之外，还可以对电影、广告或音乐短片的制作提供指导。通过实时读取人观看电影时的情绪状态，导演可以挑选最能调动情绪、吸引眼球的片段制作成预告片，也可以删减观众觉得无聊的片段，还可以根据观众的喜爱程度预测票房。

脑机“互联”末末如何？

智能时代已经向我们走来，未来会存在两类智能体，即碳基的人类和硅基的人工智能体。如何实现两者的通信交流是我们需要思考的关键问题之一。基于键盘、鼠标、语音识别等人机交互技术似乎太慢，会导致人和人工智能体之间产生信息交换鸿沟，而脑机接口技术有望解决此类问题。

脑机接口在下个阶段可能会往哪些方向发展？一个方向是实现“双向”的脑机接口。之前脑机接口大多关心怎么从大脑中读取信息，例如京都大学的科学家曾经完成一项解梦的工作，可以根据人们睡觉时的脑活动，识别出人梦见了什么。而近些年，人们也开始关心如何向大脑中写入信息。实际上，基于声、光、电、磁刺激等手段，我们已经实现了向大脑进行非常简单的信息写入。但随着对大脑工作机制理解的深入，我们有可能实现更加复杂和大规模数据的写入。例如，在未来的某一天，人类有望利用脑机接口实现“造梦”，如同《黑客帝国》中呈现的那样，为大脑打造出一个虚拟而又高度真实的世界;人们也不需要再花费精力学习像外语这样主要依赖反复背诵的知识，而可以直接利用脑机接口将外语技能写入记忆中，节省出更多的时间去完成需要创造力的任务;甚至，人与人之间的交流也不再需要语言动作或者文字，而是通过脑对脑的信息写入。让你明白对方的所思所想。

脑机接口的另一个发展方向是脑机融合和脑机智能。人工智能领域的许多成果都受到大腦工作原理的启发，而脑机接口技术对人的思维的解读，既可以帮助人们进一步理解大脑，让计算机变得更聪明、更像人类;也可以让计算机更好地理解人类、与人类协同工作。也许在未来的某一天，通过脑内的神经接口，人与计算机之间可以建立起一套与此前完全不同的信息交流体系，实现人脑与电脑高速的信息交互和协同加工，让每个人和每合计算机都变为“互联网”中的节点，最终实现生物智能和人工智能的“融合”，而那个时候，拥有一个可随心所欲指挥的坐骑也不再是梦。

近年来，脑机接口领域诞生了一系列激动人心的成果，为我们的未来提供了许多可能性，但必须要说明的是，脑机接口距离科幻作品中的描述还有很长的路要走。而在技术不断发展的过程中，脑机接口和人工智能一样，面临相关伦理问题，学术界乃至整个社会都需要对此问题保持关注，并为此类技术设置合理的边界。我们相信，随着科学家们的不断努力，脑机接口技术必将造福更多的人。