脑机接口：人“机”时代并不遥远

李骁健

在世界各民族的传统文化中，有很多对于神族“超能力”的描述，比如力大无穷、能够掌控和使用魔法等。

人类祖先对于神族“超能力”的描述，既反映了他们没有办法对自然运行规律给出合理的解释，也反映了他们对于“超能力”的向往。

在现代科学探索和技术发展的推动下，有一些“超能力”，已经成了普通人触手可及的技术，并融入人们的日常生活。如《西游记》中描述的“千里眼”“顺风耳”，如今可以通过网络摄像头、视频电话实现大部分功能。还有如“心灵感应”“意念移物”等，随着近十几年的技术突破，这些“超能力”的实现路径初现端倪，并在可预见的未来进入大众生活，比如脑机接口技术。

作者： 李骁健

中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所正高级工程师、博士生导师

知识链接：2022年11月30日，马斯克在脑机接口公司Neuralink的活动中展示了一只名为Sake的猴子如何通过“意念打字”，即仅用大脑控制一个虚拟键盘来打字。这只猴子虽然不知道如何拼写，但它可以追踪Neuralink在屏幕上用黄色高亮显示的按键。嵌入猴子头骨的N1芯片能够读取大脑活动，以在屏幕上移动光标。

脑机接口是什么？

脑机接口是大脑与外界直接进行通信的方式。计算机作为一个信息中介，帮助大脑实现和外界的直接通信。但过程中存在一定难度，毕竟在计算机CPU 芯片上“跑”的数字电路信号和大脑中的信号是不一样的。

脑机接口有哪些用途呢？主要是做三类事情——

第一，弥补收发信息器官的带宽差。比如我们通过视、听、嗅、触、味接收信息，再通过语言或动作发出信息。但我们接收到的信息很多，能发出的信息却比较少，所以这两者存在一个带宽差的问题，脑机接口技术在未来可以弥补对外表达能力较差的不足。

第二，如果我们的感官器官受到损伤，或许可以通过脑机接口的方式替代这些受损伤的器官，让人能够正常的生活、工作。希望不久的将来，很多残疾人士都能借此获得帮助。

第三，抛开这些感官，我们还可以通过大脑直接与外界进行沟通，即意念交流，比如治疗一些精神疾病。当然它还有更远的场景，比如最近流行的“元宇宙”概念，它的终极形式是什么？虚拟现实的终极形式又是什么？或许就是以脑机接口这种形式呈现。

在科幻电影《阿丽塔：战斗天使》中，阿丽塔的身体是一个机械体，只有大脑是她自己的。这就是一种脑神经与电子装置的对接方式，即脑机接口技术。这种对接方式是比较可行的，相关研究者正在努力实现它。

脑机接口的系统流程有哪些？

①脑机接口系统的第一段，主要通过传感器采集脑神经信号。

②第二段是脑机转码，把脑信息转换成机械动作指令，并把机械手的触觉信息反馈回大脑。

但很多人对此存在误解。它不是将采集到的神经信号通过计算机进行数据处理，并以最快的速度解算出它的意思。就像我们在练习骑自行车、学习游泳的时候，或许摔过很多跤，也喝过很多水，这是一个循序渐进的学习过程。用脑机接口做机械手控制也一样，脑控是一个新的技能，它也需要学习一段时间。

当然，想要做脑控，还是需要对脑神经信号做解码运算。脑机转码的依据也是神经科学，主要包含两个方面：第一个是神经元群体编码理论，这表明只有记录到足够多的神经元发出的信号，才能做解码；第二个是神经的可塑性，使用脑机接口主要依靠大脑自行学习，学习就是神经生长的过程，因为人脑里的神经生长过程相对较慢，所以人脑学得也慢，如果想通过机器获得“大力出奇迹”的速成，是无法实现的。所以，不要希冀装上脑机接口就能马上使用，还是需要花费一段时间。

发展植入式脑机接口对人类有帮助吗？

我们的大脑主要依靠脑的最基本的功能单位——神经元来实现复杂功能，它是一种细胞。神经元越多，力量越大。我们的大脑是由近千亿个神经元组成的，每个神经元都在进行信息的接收、处理和转发工作。神经元又通过级联形成通信网络，它们同时进行着信息的收发、处理和传递。

研究者如果想要获得这些神经元传递的信息，应该如何操作呢？办法就是在大脑中放入传感器，监听这些神经元的活动，尤其是电活动。传感器放在哪儿呢？研究者希望把传感器放在距离神经元更近的位置，因为离得越近，清晰度越高。生物物理学研究告诉我们，颅骨和头皮是强劲的电信号低通滤波器，想要获得清晰的神经电信号，就得把传感器放到脑子里。

③第三段是执行器，主要控制机械臂和手做动作。

基本有两种情况：一种是瘫痪者的胳膊无法使用，或者是他的胳膊已经损失，就可以用仿生的机械臂、机械手替代自己的胳膊和手抓取东西。另一种是瘫痪者的胳膊还能动，手也在，只是手指不能动。这时可以通过电刺激他的小臂肌肉，做出他想做的动作。

那么，发展植入式脑机接口对人类有没有帮助呢？以一种罕见病“渐冻症”为例，它是“肌萎缩侧索硬化症”的俗称。这种病主要侵害运动神经元，会导致全身各处的肌肉逐渐萎缩，是一种致命的神经系统疾病。大家可能对这种疾病有所耳闻，比如几年前流行的“冰桶挑战”，大家将冰水倒在身上，通过这种方式为治疗渐冻症的研究募资。

对于渐冻症患者来说，更为实用的是丰富他们的社交生活，比如让渐冻症患者能与人进行交流。除了通过对脑神经活动解码并构建语言合成器来实现讲话外，脑控虚拟键盘打字等功能也已经实现。

精神障碍是否也可以用脑机接口治疗呢？确实可以实现。精神类疾病，一般会在多个脑区出现异常，如果能在多个靶点协同调控，治愈率可能会更高一些。但目前还需要更深入研究调控的靶点，确定最准确的治疗靶点及刺激模式。毕竟在人脑中同时插入十几根长电极，然后再慢慢试效果，是没有几个人愿意尝试的。

实际上，植入式脑机接口已经有几十年的研究历史。20世纪六七十年代，美国有很多残疾退伍军人。为了帮助他们治疗瘫痪、实现生活自理，美国政府开始资助研究运动脑机接口技术。

最后，让我们一起畅想脑机接口未来的使用场景吧！如，前段时间去世的著名科学家霍金先生，一生大部分时间都瘫坐在轮椅上，如果给他装配一个灵巧的机械身体，通过脑控的方式控制它，那他就可以去到任何想去的地方了。又如，现在是5G通信时代，未来将迈向6G时代。6G可能会有5G千倍的带宽，可以充分支持多人、多地域的脑信息的自由交流。大家的意念沟通可以自然地在整个地球范围内进行，实现冲破地域阻隔，自由交流的元宇宙。再如，科幻电影中的阿丽塔，这种脑神经与电子机械躯体融合的生存方式，在不久的未来也将有机会实现。