“意念傳輸”讓碼字不用手，腦機(jī)接口的未來(lái)何時(shí)到來(lái)？
《自然》最新封面文章介紹腦機(jī)接口，打字不用手，傳輸腦信號(hào)即可
自進(jìn)入大學(xué)后至今，對(duì)我影響最大的書(shū)是尤瓦爾·赫拉利的《人類(lèi)簡(jiǎn)史：從動(dòng)物到上帝》，此書(shū)部分地重塑和完善了我的世界觀。作者的后續(xù)之作《未來(lái)簡(jiǎn)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(gè)很好的問(wèn)題。
最為核心的應(yīng)該是第一個(gè)：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(xué)發(fā)展來(lái)看，這個(gè)答案越來(lái)越確切：是的，尤其是生命中最為重要的思想和意識(shí)。
當(dāng)然了，雖然都是算法和數(shù)據(jù)處理，但生物與計(jì)算機(jī)在形式上大不一樣，兩者之間有著幾乎不可逾越的鴻溝。不過(guò)隨著科學(xué)與技術(shù)的高速發(fā)展，人類(lèi)正在快速在這個(gè)鴻溝之上搭建橋梁，并在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了一個(gè)重要的科學(xué)分支：腦機(jī)接口（Brain–Computer Interface, BCI）。
就在寫(xiě)這篇文章期間，《Nature》發(fā)表了一個(gè)BCI封面文章，大腦能夠更快速、準(zhǔn)確地打字了。
撰文 | 付國(guó)棟
責(zé)編 | 葉水送
很多科幻電影里都展示了世人對(duì)腦機(jī)接口的期待——人類(lèi)在頭上帶個(gè)頭盔就可以通過(guò)意念直接控制外界的物體以及與外界交流，甚至可以與動(dòng)物之間進(jìn)行溝通（我就特別好奇家里的貓主子為啥總有些讓人看不懂的操作）。這個(gè)目標(biāo)是極具吸引力的，一旦實(shí)現(xiàn)會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生無(wú)法想象的影響，然而遺憾的是想象有多美好，現(xiàn)實(shí)就有多殘酷。
人們的日常行為基本上都是由大腦發(fā)出指令，再經(jīng)過(guò)身體的對(duì)應(yīng)器官來(lái)完成，說(shuō)話、走路和運(yùn)動(dòng)等均是如此。人的器官一旦出現(xiàn)了嚴(yán)重問(wèn)題，基本上也就喪失了對(duì)應(yīng)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(shí)能夠?qū)⒋竽X的指令讀取出來(lái)，發(fā)送出去，借助外界設(shè)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(fù)日常生活，還能夠大大方便正常人的一些行為，例如我們正在打字，而打字的速度遠(yuǎn)跟不上大腦思考的速度，如果我們想出一句話，屏幕上立即就能打印出來(lái)，那寫(xiě)這篇文章的速度就會(huì)大大提升。
圖1：Brain Computer Interface: The End of Keyboards & Mice [1]
腦機(jī)接口就是能夠?qū)崿F(xiàn)上述設(shè)想的系統(tǒng)，通過(guò)讀取大腦的信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析和翻譯形成指令，進(jìn)而控制外界設(shè)備，幫人們完成特定行為。此外，我們的大腦還具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)行為結(jié)果的反饋，優(yōu)化以后發(fā)出的信號(hào)，讓行為更符合我們想要的結(jié)果。因此，完整的腦機(jī)接口還需要包括外界設(shè)備對(duì)大腦的信息反饋。
圖2：腦機(jī)接口的工作原理示意圖[2]
目前，腦機(jī)接口發(fā)展的主要瓶頸在于大腦信號(hào)的讀取和分析，后面的信號(hào)翻譯和設(shè)備控制相對(duì)已經(jīng)很成熟（最難的其實(shí)是外界信息直接反饋給大腦，但由于太難，基本上沒(méi)法做，而且不是目前的瓶頸，所以大多數(shù)相關(guān)研究都不要求這一點(diǎn)）。
根據(jù)侵入大腦的程度，現(xiàn)在科學(xué)界讀取大腦信號(hào)的方式大致分為三類(lèi)：第一類(lèi)侵入式記錄，代表是電極微電極記錄，需開(kāi)顱手術(shù)，并將電極陣列插入大腦內(nèi)部，直接記錄大腦內(nèi)部的信號(hào)；第二類(lèi)半侵入式記錄，需要開(kāi)顱手術(shù)，但并不需要進(jìn)入大腦內(nèi)部，記錄大腦表面的信號(hào)，代表是腦皮層電圖學(xué)（ECoG）；第三類(lèi)是非侵入式記錄，不需要開(kāi)顱手術(shù)，在頭皮外記錄大腦的信號(hào)，代表是腦電圖學(xué)（EEG）。
侵入式的電極記錄發(fā)展得最早、最成熟，時(shí)間和空間分辨率也很高。早在上世紀(jì)七八十年代，科學(xué)家就已試圖通過(guò)此方法記錄猴子大腦的信號(hào)，并用于控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。
2005年，科學(xué)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(nèi)，經(jīng)過(guò)9個(gè)月的訓(xùn)練，病人能夠用意念控制假肢、鼠標(biāo)完成一些日常行為。此方法不僅需要開(kāi)顱手術(shù)，還需要將異物插入大腦內(nèi)部，潛在風(fēng)險(xiǎn)很大，目前除了某些病人不允許進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)。電極與大腦的長(zhǎng)期兼容性也是一個(gè)并未完全解決的問(wèn)題。
圖3：癱瘓病人通過(guò)意念控制鼠標(biāo)[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(dòng)信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，半侵入式的電極也能夠快速、準(zhǔn)確地記錄和分析大腦信號(hào)，而且相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較小，目前發(fā)展較快。
2006年，華盛頓大學(xué)的兩位科學(xué)家Eric Leuthardt和Daniel Moran，在一名14歲的癲癇病人腦內(nèi)植入EGoG。通過(guò)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練，病人能夠用意念玩游戲。
非侵入記錄的EEG是將多個(gè)電極置于頭皮表面，在顱骨外記錄大腦在活動(dòng)時(shí)的信號(hào)。由于EEG不需要開(kāi)顱手術(shù)，可以在正常人身上實(shí)驗(yàn)，發(fā)展速度最快。
由于是在顱骨外記錄腦信號(hào)，因此EEG在空間分辨率和信號(hào)精確度上不如以上兩種方式，但隨著技術(shù)和數(shù)據(jù)分析的進(jìn)步，在某些條件下依然能夠讓人通過(guò)意念控制外界設(shè)備。2013年，明尼蘇達(dá)大學(xué)教授賀斌（Bin He）用EEG技術(shù)讓人能夠通過(guò)意念控制直升機(jī)模型在空中飛行。
馬斯克不僅是火星狂人，同時(shí)也是各種黑科技的發(fā)燒友，他們的腦機(jī)接口技術(shù)也能做到同行領(lǐng)先。
除了研究人員之外，也有越來(lái)越多的公司開(kāi)始涉足腦機(jī)接口領(lǐng)域。例如比較知名的Neuralink公司展示了一些其腦機(jī)接口的設(shè)備，計(jì)劃應(yīng)用于治療中風(fēng)和癱瘓，并向美國(guó)FDA申請(qǐng)上市。值得一提的是，美國(guó)國(guó)防部是該領(lǐng)域重要推動(dòng)者，資助不少相關(guān)研究和公司。
無(wú)論是哪種技術(shù)、研究人員或公司，總的來(lái)說(shuō)腦機(jī)接口處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，目前并無(wú)特定方法、人員或公司能夠在短期內(nèi)做出較為成熟的設(shè)備，技術(shù)積累和學(xué)科融合可能是取得突破的重要因素。
腦機(jī)接口是個(gè)新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)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(yīng)用于一些人類(lèi)疾病。但當(dāng)前依然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)際應(yīng)用，特別是大規(guī)模應(yīng)用于普通人，還存在相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離。造成這一現(xiàn)狀的原因主要有以下幾個(gè)方面。
首先，可能也是最重要、最難的一點(diǎn)，人類(lèi)對(duì)于大腦的理解還非常淺薄。雖然大家早已認(rèn)識(shí)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(guò)程，導(dǎo)致我們無(wú)法有效地讀取指令。例如使用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，需要手臂和十個(gè)手指相互配合，以合理的時(shí)間、位置和力度去操作，最后達(dá)到我們想要的結(jié)果。
雖然很多人覺(jué)得打字很簡(jiǎn)單，但大腦里參與這一過(guò)程的神經(jīng)元何止千萬(wàn)，并且遍布不同腦區(qū)，它們的信號(hào)非常復(fù)雜，采集到相關(guān)信號(hào)已實(shí)屬不易，其信號(hào)猶如天書(shū)，讀懂更難。以當(dāng)前的技術(shù)，我們最多只能在特定腦區(qū)，采集部分神經(jīng)元信號(hào)，希望能夠以小見(jiàn)大。再結(jié)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(hào)指令。
其次，腦機(jī)接口需要特定的大腦信號(hào)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(hào)，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(shí)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(shù)，而且要在腦內(nèi)植入物體。雖然采集信號(hào)會(huì)更加精確且穩(wěn)定，但其長(zhǎng)期安全性和兼容性還有待驗(yàn)證，需要在臨床上持續(xù)觀察和優(yōu)化。不過(guò)好的一方面是相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)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(lǐng)域一樣，腦機(jī)接口還需要面對(duì)安全性和倫理上的挑戰(zhàn)。如果某天設(shè)備能夠直接讀取到我們大腦里的想法，甚至是能通過(guò)設(shè)備直接改動(dòng)我們的想法，那這種設(shè)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(guò)法律和技術(shù)手段保證安全性是所有新興領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，腦機(jī)接口更甚。
在倫理上，腦機(jī)接口同樣面臨前所未有的挑戰(zhàn)，如何保證該技術(shù)不會(huì)被亂用、不會(huì)加劇社會(huì)不平等和保護(hù)個(gè)人隱私等。這些問(wèn)題需要科學(xué)家、政府和產(chǎn)業(yè)界等多方共同努力和協(xié)商，其進(jìn)展和結(jié)果對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向和速度會(huì)產(chǎn)生很大影響。
最后，腦機(jī)接口領(lǐng)域目前應(yīng)用范圍還比較局限于醫(yī)療和軍用領(lǐng)域，對(duì)普通的生活領(lǐng)域涉獵較少，缺乏殺手級(jí)的應(yīng)用。雖然已經(jīng)有研究報(bào)道普通人可以通過(guò)腦機(jī)接口玩游戲、控制鼠標(biāo)和打字等功能，但相對(duì)于正常方式還存在諸多限制條件，并不能進(jìn)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(jìn)一步。誠(chéng)然，其中還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，例如信號(hào)不夠穩(wěn)定，設(shè)備價(jià)格過(guò)高，但如果能出現(xiàn)一款實(shí)用化的應(yīng)用，會(huì)大大加速該領(lǐng)域發(fā)展，讓腦機(jī)接口能更早地進(jìn)入平常百姓家。
腦機(jī)接口作為一個(gè)新興領(lǐng)域，被人們暢想了無(wú)限可能，然而當(dāng)前的道路真的是道阻且長(zhǎng)。現(xiàn)在該領(lǐng)域還主要集中在實(shí)驗(yàn)室里，在進(jìn)入日常生活的道路上還存在著目前無(wú)法解決的一些技術(shù)問(wèn)題。沒(méi)有人能夠知道我們什么時(shí)候能夠解決這些問(wèn)題，甚至是能不能解決這些問(wèn)題。
研究領(lǐng)域，尤其是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，很多問(wèn)題看似很難，但一旦該領(lǐng)域甚至是其他領(lǐng)域出現(xiàn)一個(gè)新突破，之前的問(wèn)題便可迎刃而解，甚至是快速面向市場(chǎng)，例如近幾年非常火熱的基因編輯和人工智能技術(shù)。還有些問(wèn)題看似沒(méi)那么難，或者會(huì)有一定的突破，但實(shí)際上很多年也未能取得預(yù)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(dāng)然了，這兩類(lèi)問(wèn)題還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而產(chǎn)生一些領(lǐng)域的潮漲潮落。腦機(jī)接口的發(fā)展就可能處于相互轉(zhuǎn)化之中，接下來(lái)是向左還是向右沒(méi)人能夠預(yù)測(cè)，但堅(jiān)持并仔細(xì)體會(huì)其中的發(fā)展本身就是一個(gè)很有樂(lè)趣的事情，期待時(shí)間給世界的答案。
參考文獻(xiàn)：
