从科幻中走来的脑机接口

◆本刊综合

大脑是人体最神秘的器官，即便在科技高速发展的今天，人类对大脑的了解和认识依然十分有限，“读懂”大脑成为一个世界性难题。

1973年，美国科学家雅克·维达尔首次提出脑机接口的概念。在这50年间，碳基生命与硅基生命的融合走出了一条呈几何级数上扬的曲线。近年来，脑机接口更是进入技术飞速发展期，受到各界追捧。

脑机接口是一种在脑与外部设备之间建立通信和控制通道，通过脑的生物电信号直接操控外部设备，或以外部刺激调控脑的活动，从而增强、改善和延伸大脑功能的技术。本期，我们将走近硬核科技——脑机接口。

从概念到现实

脑机接口技术的灵感是伴随着人类对大脑功能的探索而产生的。

最初，人们并没有认识到大脑的特殊性，更不会想到它还具有思维功能。直到大约公元162年，古罗马学者盖伦提出，大脑才是人类思维的主要器官。随着物理学的发展，人们对电有了初步认识。18 世纪末，意大利科学家用生物电控制青蛙的肢体反应，证实了生物电可以控制动物的肢体。

19 世纪，人们开始借助显微镜等工具观察生物的细胞结构，他们发现，大脑中的细胞似乎都带着一根长长的纤维，这种纤维会延伸到身体的各个部位交错成一张网络。1888年，西班牙医学家通过高尔基染色法对神经细胞进行染色并观察发现，神经网络是由一个个神经细胞组成。不久，神经细胞被正式命名为神经元。

神经元的细胞膜在自然条件下存在于水介质中。由于神经元内外的离子浓度各不相同，这种浓度的差异造成了细胞膜内外的电势差，细胞膜电位先升后降的过程被称为“锋电位”。

锋电位发生在胞体和轴突的连接点附近，随着轴突向其他神经元传播，其他神经元则可通过树突来接收。通过这种方法，由神经元组成的网络扮演了生物电在人体内通路的角色，各种刺激产生的信息以及大脑的各种指令都可以沿着网络传播。

人体内的信息传递从根本上讲，就是生物电沿神经元构成的网络的传导。人类可否测量或捕捉这些信息？替代这种信息传导模式从而控制身体的方法真的存在吗？连通神经网络和外部的网络，直接通过意念控制器物可行吗？对这些问题的探索，构成了脑机接口领域的主要探索内容。

技术发展线

1970年前（理论萌芽期）

1924年，德国精神病学家汉斯·贝格尔首次记录到人类脑部的电信号活动，并将其命名为脑电波。

1929年5月，《人类脑电图的使用》问世，并在《精神病学档案》发表。

1938年，美国神经学家赫伯特·贾斯珀在寄给汉斯·贝格尔的圣诞贺卡中，畅想了从脑电波中解码语言的可能性。这也被认作早期对脑机接口的科幻描绘。

图1 被认作早期对脑机接口的科幻描绘的贺卡（图/慕尼黑德意志博物馆）

1970—1990年（概念论证期）

1973年，科学家雅克·维达尔首次提出脑机接口的科学概念与设想。人类开始通过从神经元集合中记录信号，并使用这些信号控制外部设备，这使得脑机接口的概念范畴得以延伸。

1999—2019年（技术爆发期）

1999年，科学家通过解码神经元的发射重现了猫看到的图像。此外，首届国际脑机接口会议将脑机接口“BCI”确定为特定专业词汇，同时确认了其科学定义和评价标准。

2005年，人类使用脑机接口成功为一名四肢瘫痪的人士提供人工手臂。

2014年，在巴西足球世界杯开幕式上，一位截瘫青年身披“机械战甲”开出第一脚球，展示了脑机接口技术发展的一大步。

2016年，在天宫二号和神舟十一号载人飞行中，天津大学明东团队与中国航天员中心合作完成人类首次太空脑机交互实验，实现了静默交流。

2019年7月，神经科技初创公司Neuralink 发布了一款可扩展的高带宽脑机接口系统。

图2 截瘫青年通过“意念”控制重获“自由”

图3 脑机接口技术将电极沉入大脑，再利用芯片与计算机进行通信（图/ CNET 网站 ）

2021年至今（产业发展期）

2021年，人类成功在一只猴子体内植入脑芯片，使猴子实现通过“意念”玩电子游戏。

2023年，我国成功进行了全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验，脑机接口成为全球科技竞争的高地。

何为关键

脑机接口主要分为侵入式、非侵入式以及介入式。当前，国内以发展非侵入式脑机接口为主，美国则以动物的侵入式实验为主。

侵入式脑机接口的门槛较高，需在大脑中植入芯片。芯片的主要材质是硬度最高的硅，而脑组织是人体最软的组织之一，这两种材质一起“工作”就如同在豆腐上立一根针，不仅难度大，且涉及多项技术突破。避免生物学反应是侵入式脑机接口发展的关键，材料的缺失是有效避免生物学效应的“拦路虎”。

非侵入式脑机接口类似在大脑周围通过设备接收卫星信号，虽然接收面积大，但只要能较好匹配，非侵入式脑机接口的通信速率也能得到保障。

介入式脑机接口的创伤较侵入式脑机接口更小，信号质量较非侵入式脑机接口更高。今年，全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京取得成功。

脑机接口设备主要为了解决两个问题：一是接收神经元发送的信号，并由此推断其中包含的信息，人们可根据需要对这些信息进行再编码并输出；二是刺激神经元，通过神经元影响身体某些部位的行动。

当前，脑机接口应用正处于临床试验阶段，还有许多技术和伦理问题尚待解决。

图4 一款基于脑机接口技术的施工人员安全数字管理系统（图/新华社 魏梦佳 摄）

图5 美国国防部高级研究计划局资助研发的非植入式脑外装置（图/中国国防报）

应用场景多样

现实中，脑机接口技术可应用于诸多场景中。

场景一

在医疗方面，科学家们正致力于将脑机接口技术应用于渐冻症、高位截瘫、失语症等严重的运动感知功能受损疾病，尝试帮助患者恢复健康。

场景二

人类借助脑机接口操控外骨骼、电子眼等设备，实现感官和力量的增强。此外，脑机接口技术还可为老年人提供做家务、日常照料等辅助功能。

场景三

借助脑机接口技术，学生可提高学习效率，教师可实时了解学生的注意力值，并据此调整教学策略。

场景四

不同于传统的手柄、手势、语音、眼动等交互手段，脑机接口技术可不依赖肌肉和外周神经，直接与外部设备和环境建立交互，通过脑电信号实现“所见即所得”。

图6 志愿者借助脑机接口技术控制机械臂进食（图/新华社）

在漫长的历史进程中，人类一次次成功获得了改变世界的技术。脑机接口技术走过了半个世纪的发展历程，不断接近人们在科幻作品中看到的未来形象。脑机智能——即脑和机的智能合一的目标或在下个50年实现。