腦機接口：人“機”時代并不遙遠

李驍健

在世界各民族的傳統文化中，有很多對于神族“超能力”的描述，比如力大無窮、能夠掌控和使用魔法等。

人類祖先對于神族“超能力”的描述，既反映了他們沒有辦法對自然運行規律給出合理的解釋，也反映了他們對于“超能力”的向往。

在現代科學探索和技術發展的推動下，有一些“超能力”，已經成了普通人觸手可及的技術，并融入人們的日常生活。如《西游記》中描述的“千里眼”“順風耳”，如今可以通過網絡攝像頭、視頻電話實現大部分功能。還有如“心靈感應”“意念移物”等，隨著近十幾年的技術突破，這些“超能力”的實現路徑初現端倪，并在可預見的未來進入大眾生活，比如腦機接口技術。

作者： 李驍健

中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所正高級工程師、博士生導師

知識鏈接：2022年11月30日，馬斯克在腦機接口公司Neuralink的活動中展示了一只名為Sake的猴子如何通過“意念打字”，即僅用大腦控制一個虛擬鍵盤來打字。這只猴子雖然不知道如何拼寫，但它可以追蹤Neuralink在屏幕上用黃色高亮顯示的按鍵。嵌入猴子頭骨的N1芯片能夠讀取大腦活動，以在屏幕上移動光標。

腦機接口是什么？

腦機接口是大腦與外界直接進行通信的方式。計算機作為一個信息中介，幫助大腦實現和外界的直接通信。但過程中存在一定難度，畢竟在計算機CPU 芯片上“跑”的數字電路信號和大腦中的信號是不一樣的。

腦機接口有哪些用途呢？主要是做三類事情——

第一，彌補收發信息器官的帶寬差。比如我們通過視、聽、嗅、觸、味接收信息，再通過語言或動作發出信息。但我們接收到的信息很多，能發出的信息卻比較少，所以這兩者存在一個帶寬差的問題，腦機接口技術在未來可以彌補對外表達能力較差的不足。

第二，如果我們的感官器官受到損傷，或許可以通過腦機接口的方式替代這些受損傷的器官，讓人能夠正常的生活、工作。希望不久的將來，很多殘疾人士都能借此獲得幫助。

第三，拋開這些感官，我們還可以通過大腦直接與外界進行溝通，即意念交流，比如治療一些精神疾病。當然它還有更遠的場景，比如最近流行的“元宇宙”概念，它的終極形式是什么？虛擬現實的終極形式又是什么？或許就是以腦機接口這種形式呈現。

在科幻電影《阿麗塔：戰斗天使》中，阿麗塔的身體是一個機械體，只有大腦是她自己的。這就是一種腦神經與電子裝置的對接方式，即腦機接口技術。這種對接方式是比較可行的，相關研究者正在努力實現它。

腦機接口的系統流程有哪些？

①腦機接口系統的第一段，主要通過傳感器采集腦神經信號。

②第二段是腦機轉碼，把腦信息轉換成機械動作指令，并把機械手的觸覺信息反饋回大腦。

但很多人對此存在誤解。它不是將采集到的神經信號通過計算機進行數據處理，并以最快的速度解算出它的意思。就像我們在練習騎自行車、學習游泳的時候，或許摔過很多跤，也喝過很多水，這是一個循序漸進的學習過程。用腦機接口做機械手控制也一樣，腦控是一個新的技能，它也需要學習一段時間。

當然，想要做腦控，還是需要對腦神經信號做解碼運算。腦機轉碼的依據也是神經科學，主要包含兩個方面：第一個是神經元群體編碼理論，這表明只有記錄到足夠多的神經元發出的信號，才能做解碼；第二個是神經的可塑性，使用腦機接口主要依靠大腦自行學習，學習就是神經生長的過程，因為人腦里的神經生長過程相對較慢，所以人腦學得也慢，如果想通過機器獲得“大力出奇跡”的速成，是無法實現的。所以，不要希冀裝上腦機接口就能馬上使用，還是需要花費一段時間。

發展植入式腦機接口對人類有幫助嗎？

我們的大腦主要依靠腦的最基本的功能單位——神經元來實現復雜功能，它是一種細胞。神經元越多，力量越大。我們的大腦是由近千億個神經元組成的，每個神經元都在進行信息的接收、處理和轉發工作。神經元又通過級聯形成通信網絡，它們同時進行著信息的收發、處理和傳遞。

研究者如果想要獲得這些神經元傳遞的信息，應該如何操作呢？辦法就是在大腦中放入傳感器，監聽這些神經元的活動，尤其是電活動。傳感器放在哪兒呢？研究者希望把傳感器放在距離神經元更近的位置，因為離得越近，清晰度越高。生物物理學研究告訴我們，顱骨和頭皮是強勁的電信號低通濾波器，想要獲得清晰的神經電信號，就得把傳感器放到腦子里。

③第三段是執行器，主要控制機械臂和手做動作。

基本有兩種情況：一種是癱瘓者的胳膊無法使用，或者是他的胳膊已經損失，就可以用仿生的機械臂、機械手替代自己的胳膊和手抓取東西。另一種是癱瘓者的胳膊還能動，手也在，只是手指不能動。這時可以通過電刺激他的小臂肌肉，做出他想做的動作。

那么，發展植入式腦機接口對人類有沒有幫助呢？以一種罕見病“漸凍癥”為例，它是“肌萎縮側索硬化癥”的俗稱。這種病主要侵害運動神經元，會導致全身各處的肌肉逐漸萎縮，是一種致命的神經系統疾病。大家可能對這種疾病有所耳聞，比如幾年前流行的“冰桶挑戰”，大家將冰水倒在身上，通過這種方式為治療漸凍癥的研究募資。

對于漸凍癥患者來說，更為實用的是豐富他們的社交生活，比如讓漸凍癥患者能與人進行交流。除了通過對腦神經活動解碼并構建語言合成器來實現講話外，腦控虛擬鍵盤打字等功能也已經實現。

精神障礙是否也可以用腦機接口治療呢？確實可以實現。精神類疾病，一般會在多個腦區出現異常，如果能在多個靶點協同調控，治愈率可能會更高一些。但目前還需要更深入研究調控的靶點，確定最準確的治療靶點及刺激模式。畢竟在人腦中同時插入十幾根長電極，然后再慢慢試效果，是沒有幾個人愿意嘗試的。

實際上，植入式腦機接口已經有幾十年的研究歷史。20世紀六七十年代，美國有很多殘疾退伍軍人。為了幫助他們治療癱瘓、實現生活自理，美國政府開始資助研究運動腦機接口技術。

最后，讓我們一起暢想腦機接口未來的使用場景吧！如，前段時間去世的著名科學家霍金先生，一生大部分時間都癱坐在輪椅上，如果給他裝配一個靈巧的機械身體，通過腦控的方式控制它，那他就可以去到任何想去的地方了。又如，現在是5G通信時代，未來將邁向6G時代。6G可能會有5G千倍的帶寬，可以充分支持多人、多地域的腦信息的自由交流。大家的意念溝通可以自然地在整個地球范圍內進行，實現沖破地域阻隔，自由交流的元宇宙。再如，科幻電影中的阿麗塔，這種腦神經與電子機械軀體融合的生存方式，在不久的未來也將有機會實現。