腦機接口：想象中的未來何時到來？
自進入大學后至今，對我影響最大的書是尤瓦爾·赫拉利的《人類簡史：從動物到上帝》，此書部分地重塑和完善了我的世界觀。作者的后續(xù)之作《未來簡史：從智人到智神》雖然給我的沖擊力不如前作，但最后提出了三個很好的問題。
最為核心的應該是第一個：生物真的只是算法嗎，而生命也真的只是數(shù)據(jù)處理嗎？從最近幾十年的神經(jīng)科學發(fā)展來看，這個答案越來越確切：是的，尤其是生命中最為重要的思想和意識。
人們的日常行為基本上都是由大腦發(fā)出指令，再經(jīng)過身體的對應器官來完成，說話、走路和運動等均是如此。人的器官一旦出現(xiàn)了嚴重問題，基本上也就喪失了對應的能力，而大腦還是完全正常的，可以發(fā)出各種指令。如果此時能夠將大腦的指令讀取出來，發(fā)送出去，借助外界設備依然可以完成我們的想法。
這樣不僅可以幫助一些病人恢復日常生活，還能夠大大方便正常人的一些行為，例如我正在打字，而打字的速度遠跟不上大腦思考的速度，如果我想出一句話，屏幕上立即就能打印出來，那我寫這篇文章的速度就會大大提升。
腦機接口就是能夠實現(xiàn)上述設想的系統(tǒng)，通過讀取大腦的信號，經(jīng)過分析和翻譯形成指令，進而控制外界設備，幫人們完成特定行為。此外，我們的大腦還具有很強的學習能力，能夠根據(jù)行為結果的反饋，優(yōu)化以后發(fā)出的信號，讓行為更符合我們想要的結果。因此，完整的腦機接口還需要包括外界設備對大腦的信息反饋。
圖2：腦機接口的工作原理示意圖[2]
目前，腦機接口發(fā)展的主要瓶頸在于大腦信號的讀取和分析，后面的信號翻譯和設備控制相對已經(jīng)很成熟（最難的其實是外界信息直接反饋給大腦，但由于太難，基本上沒法做，而且不是目前的瓶頸，所以大多數(shù)相關研究都不要求這一點）。
根據(jù)侵入大腦的程度，現(xiàn)在科學界讀取大腦信號的方式大致分為三類：第一類侵入式記錄，代表是電極微電極記錄，需開顱手術，并將電極陣列插入大腦內部，直接記錄大腦內部的信號；第二類半侵入式記錄，需要開顱手術，但并不需要進入大腦內部，記錄大腦表面的信號，代表是腦皮層電圖學（ECoG）；第三類是非侵入式記錄，不需要開顱手術，在頭皮外記錄大腦的信號，代表是腦電圖學（EEG）。
侵入式的電極記錄發(fā)展得最早、最成熟，時間和空間分辨率也很高。早在上世紀七八十年代，科學家就已試圖通過此方法記錄猴子大腦的信號，并用于控制機械臂的運動。
2005年，科學家喬納森·沃爾波（Jonathan Wolpaw）將96通道電極陣列植入于一名癱瘓病人腦內，經(jīng)過9個月的訓練，病人能夠用意念控制假肢、鼠標完成一些日常行為（注：有視頻）。此方法不僅需要開顱手術，還需要將異物插入大腦內部，潛在風險很大，目前除了某些病人不允許進行人體實驗。電極與大腦的長期兼容性也是一個并未完全解決的問題。
圖3：癱瘓病人通過意念控制鼠標[2]
半侵入式的ECoG是將電極陣列置于一塊薄薄的板子上，置于大腦表面，記錄大腦的活動信號。隨著技術的發(fā)展，半侵入式的電極也能夠快速、準確地記錄和分析大腦信號，而且相對風險較小，目前發(fā)展較快。
2006年，華盛頓大學的兩位科學家Eric Leuthardt和Daniel Moran，在一名14歲的癲癇病人腦內植入EGoG。通過簡單的訓練，病人能夠用意念玩游戲。
非侵入記錄的EEG是將多個電極置于頭皮表面，在顱骨外記錄大腦在活動時的信號。由于EEG不需要開顱手術，可以在正常人身上實驗，發(fā)展速度最快。
由于是在顱骨外記錄腦信號，因此EEG在空間分辨率和信號精確度上不如以上兩種方式，但隨著技術和數(shù)據(jù)分析的進步，在某些條件下依然能夠讓人通過意念控制外界設備。2013年，明尼蘇達大學教授賀斌（Bin He）用EEG技術讓人能夠通過意念控制直升機模型在空中飛行。
除了研究人員之外，也有越來越多的公司開始涉足腦機接口領域。例如比較知名的Neuralink公司展示了一些其腦機接口的設備，計劃應用于治療中風和癱瘓，并向美國FDA申請上市。值得一提的是，美國國防部是該領域重要推動者，資助不少相關研究和公司。
無論是哪種技術、研究人員或公司，總的來說腦機接口處于實驗室研發(fā)階段，目前并無特定方法、人員或公司能夠在短期內做出較為成熟的設備，技術積累和學科融合可能是取得突破的重要因素。
腦機接口是個新興的多學科交叉領域，近些年發(fā)展迅速，取得了一些比較重要的突破，甚至正在應用于一些人類疾病。但當前依然停留在實驗室階段，距離實際應用，特別是大規(guī)模應用于普通人，還存在相當遙遠的距離。造成這一現(xiàn)狀的原因主要有以下幾個方面。
首先，可能也是最重要、最難的一點，人類對于大腦的理解還非常淺薄。雖然大家早已認識到大腦能夠發(fā)出指令控制行為，但是并不了解指令的形成過程，導致我們無法有效地讀取指令。例如使用鼠標和鍵盤，需要手臂和十個手指相互配合，以合理的時間、位置和力度去操作，最后達到我們想要的結果。
雖然很多人覺得打字很簡單，但大腦里參與這一過程的神經(jīng)元何止千萬，并且遍布不同腦區(qū)，它們的信號非常復雜，采集到相關信號已實屬不易，其信號猶如天書，讀懂更難。以當前的技術，我們最多只能在特定腦區(qū)，采集部分神經(jīng)元信號，希望能夠以小見大。再結合最新一些數(shù)據(jù)分析方法，希望最終能夠解析出大腦的信號指令。
其次，腦機接口需要特定的大腦信號采集硬件，目前并不能滿足要求。理想條件下，我們希望能夠以非侵入的方式采集到大腦信號，并且要求硬件盡可能小巧、便捷、穩(wěn)定和便宜?，F(xiàn)在也許能夠滿足其中一些條件，但是同時滿足這些條件還并未看到希望。（半）侵入式的方式不僅需要手術，而且要在腦內植入物體。雖然采集信號會更加精確且穩(wěn)定，但其長期安全性和兼容性還有待驗證，需要在臨床上持續(xù)觀察和優(yōu)化。不過好的一方面是相關領域進展迅速，大家可以期待更好硬件的快速迭代。
再者，和其他很多前沿領域一樣，腦機接口還需要面對安全性和倫理上的挑戰(zhàn)。如果某天設備能夠直接讀取到我們大腦里的想法，甚至是能通過設備直接改動我們的想法，那這種設備和數(shù)據(jù)的安全性將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。如何通過法律和技術手段保證安全性是所有新興領域的一大挑戰(zhàn)，腦機接口更甚。
在倫理上，腦機接口同樣面臨前所未有的挑戰(zhàn)，如何保證該技術不會被亂用、不會加劇社會不平等和保護個人隱私等。這些問題需要科學家、政府和產(chǎn)業(yè)界等多方共同努力和協(xié)商，其進展和結果對該領域的發(fā)展方向和速度會產(chǎn)生很大影響。
最后，腦機接口領域目前應用范圍還比較局限于醫(yī)療和軍用領域，對普通的生活領域涉獵較少，缺乏殺手級的應用。雖然已經(jīng)有研究報道普通人可以通過腦機接口玩游戲、控制鼠標和打字等功能，但相對于正常方式還存在諸多限制條件，并不能進入日常生活。如何研究出一些能引起大眾興趣的軟硬件還需要研究者和公司再進一步。誠然，其中還存在一些技術難點，例如信號不夠穩(wěn)定，設備價格過高，但如果能出現(xiàn)一款實用化的應用，會大大加速該領域發(fā)展，讓腦機接口能更早地進入平常百姓家。
腦機接口作為一個新興領域，被人們暢想了無限可能，然而當前的道路真的是道阻且長?，F(xiàn)在該領域還主要集中在實驗室里，在進入日常生活的道路上還存在著目前無法解決的一些技術問題。沒有人能夠知道我們什么時候能夠解決這些問題，甚至是能不能解決這些問題。
研究領域，尤其是基礎研究領域，很多問題看似很難，但一旦該領域甚至是其他領域出現(xiàn)一個新突破，之前的問題便可迎刃而解，甚至是快速面向市場，例如近幾年非常火熱的基因編輯和人工智能技術。還有些問題看似沒那么難，或者會有一定的突破，但實際上很多年也未能取得預期中的突破，例如幾十年就想要突破的癌癥治療、艾滋病防止和治療。
當然了，這兩類問題還會相互轉化，進而產(chǎn)生一些領域的潮漲潮落。腦機接口的發(fā)展就可能處于相互轉化之中，接下來是向左還是向右沒人能夠預測（就在寫這篇文章期間，《Nature》發(fā)表了一個BCI封面文章，大腦能夠更快速、準確地打字了），但堅持并仔細體會其中的發(fā)展本身就是一個很有樂趣的事情，期待時間給世界的答案。
參考文獻：
