插口人生：脑机时代已来？

在《攻壳机动队》和《阿丽塔：战斗天使》中，主角只有大脑保存完好，安装了外骨骼之后奇迹般地复活，在脑机接口技术的加持下，还能进行激烈刺激的战斗;在《黑客帝国》中，人类通过脑后插管可以在虚拟世界中生活，并且浑然不觉有任何异样;在威廉·吉布森的短篇小说《冬季市场》中，主角患有先天性残疾，只能依靠脑机接口控制外骨骼活动，为了摆脱羸弱的肉体，她最终将意识转译成计算机程序，获得了永生。在《科幻世界》2019年6、7期连载的陈虹羽《永劫之境》中，被实验人员通过人机接口进入相互干涉影响的共享意识世界，但这项看似通过激发植物人意识救死扶伤的技术，背后却隐藏着泯灭人性的军事用途……相信大家对于科幻作品中设想的脑机接口的强大功能并不陌生。

2020年8月，埃隆·马斯克召开了一次发布会，展示了其投资的Neuralink公司最新的脑机接口设备。在演示中，这款设备可以记录实验猪脑内的神经电信号、预测它的运动。同时，他还宣称脑机接口能够召唤汽车、打游戏，并且能治疗诸如失聪、失忆、中风等疾病，甚至连抑郁症、焦虑、失眠、成瘾都能治疗。此外，他还声称有望在5年内实现大脑间的直接交流，将来还能上传和下载记忆，从而实现科幻中的“数字永生”。

看样子，科幻成为现实指日可待了。但实际上，他所演示和声称的功能，有些早已经实现，还有些仍然是天方夜谭。要搞清这个问题，首先应该知道科学家们研究的脑机接口是何物，以及它们究竟能干什么。

何谓脑机接口？

顾名思义，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）就是连接大脑与计算机之间的信息系统，可以让大脑直接和计算机沟通。脑机接口的信息传递是双向的，既能从大脑传递信息到计算机，进而操控与之连接的外部设备，也能从计算机传递信息到大脑，用电信号刺激脑神经。

那么，脑机接口是如何运作的呢？神经科学研究发现，即使神经系统和运动器官因损伤而丧失作用，只要大脑功能保持正常，那么控制指令依然能够通过脑电信号从大脑中传输出来，只不过损伤的肢体不会随之活动罢了。人们在进行某些思维活动，或者在某些外部刺激下，脑电信号会呈现出与刺激相对应的规律性变化。因此，抽象虚拟的大脑活动，可以通过具体真实的脑电信号来表达，这种信号是大脑与外界沟通的桥梁。脑机接口即是通过检测或影响这种脑电信号来和神经元沟通的。

此外，脑机接口的另一个原理是大脑的功能组成。我们知道，大脑的各种功能通常由一些具体位置（即脑区）来负责，比如视觉依赖大脑枕部的区域来实现，如果该脑区受伤，就会让视觉能力受损，此即大脑功能的局部性。同时，每种功能也需要多个脑区的协同合作才能实现，任何一个涉及相关信息加工的脑区产生故障，都会导致人体最终的行动（语言、表情、动作等）出现问题，此即大脑功能的分布性。这对于脑机接口采集信号或者电极植入位置的选择至关重要。

按照人机连接的方法来划分，脑机接口一般分为无创型（非植入型）和植入型。

常见的无创型BCI是基于脑电图（EEG）的脑机接口，这种记录系统有几十到上百个圆盘形电极，每个电极的形状和大小跟纽扣差不多。将这些电极粘贴在头皮上，即可记录大脑中的电流变化。植入型脑机接口则需要通过在头颅植入电极来记录神经元活动，电极既可以植入到颅骨与大脑之间，也可以植入到大脑皮层内部。这几种方法所收集的神经信号精度和强度有明显不同。

我们可以将大脑想象成一座正在举行球赛的巨大的体育馆，每个神经元就是一名观众，一个神经元发出的动作电位就是观众的一次呼喊。对于无创型脑机接口来说，贴在头皮上的电极就像贴在体育馆外墙上倾听馆内声音的麦克风，每个观众的呼喊声（神经元的信号）是非常微弱的，麦克风只能探测到馆内那一亿名观众叠加的呼喊。在这种情况下，很难探测到一个人（神经元）的呼喊（动作电位），自然就无法了解具体某个神经元的活动，更何谈了解大脑的具体状态？但进球时，观众会齐声欢呼，声音具有同步性，会比杂乱无章的各种声音更大。所以，根据这种同步性的欢呼，就能猜到馆内发生了什么。EEG记录系统就是通过探测大量神经元的同步活动，来推测大脑的工作状态。

植入到颅骨与大脑之间的电极阵列，相当于把麦克风安装到体育馆的内墙上，当然，它仍然难以记录单个神经元的活动，和EEG一样只能测到多个神经元的整体活动，但其空间分辨率更高了，记录到的神经元数量更少，位置也更具体。而植入到皮层内的电极阵列，则相当于把巨型麦克风放到观众当中，可以记录周围几个人的欢呼，不过，由于人与人之间的呼叫声有些不同，在软件的帮助下可以把某个呼叫声和呼叫人对应起来，理论上能得到单个人（单个神经元）的活动。因此，植入到大脑皮层里的电极所提取的信息，比其他方法更加详细。但是，目前还没有对某个神经元进行选择记录的能力，只能根据大脑的功能区来选择植入电极阵列的位置，例如需要控制假肢时，可以在参与控制手臂或腿部运动的脑区植入电极。

提取到神经信号后，还要进行解码。就像球赛观众里有两支队伍的支持者，一方支持者所支持的球队进攻时，他们会发出更多的欢呼，反之，他们就比较安静。但他们偶尔也会因为其他事情欢呼。这就相当于不同的神经元有不同的偏爱方向。查明神经元的偏爱方向后，实时记录它们的活动，就可以猜测那个人的运动意图。该过程就叫解码。之后，控制系统需要根据解码结果来控制假肢或光标，而且还能向大脑提供反馈信号，以便调节机械臂或光标等的操控。

脑机接口究竟能干什么？

脑机接口最主要的用途就是通过接收使用者指令性的脑电信号，将其转化输出，进而控制外部设备或周围的环境（比如开关灯、控制室温等）。

从已有的报道来看，前文提及的马斯克展示和声称的部分功能其实早就实现了。比如无创型脑机接口，它可以探测到神经元同步活动频率的变化，通过分析各频率的相对强度，把分析结果反馈给使用者或实验者，也可根据这些结果来控制目标。利用这一原理，可以有些很有趣的应用。早在1985年，迈克尔·斯万维克和威廉·吉布森合著的小说《空战游戏》中就提到了通过粘贴在耳后的控制器，来操控战斗机进行空战比赛。而在现实中，市面上也有相应的可穿戴脑电波玩具了，例如让玩家用脑电波给玩具车加速来比赛，或者戴上可以探测分析脑电波的猫耳朵，即可根据佩戴者情绪的变化做出相应的指示动作。

而且，这种脑机接口还能获取大脑对身体各部位运动的想象，例如是否在想象运动左手或右脚，在想象不同的运动时，会激活控制相关运动功能的脑区的神经元，它们附近的电极所记录的频率就会有所变化。软件同时分析多电极的信号，用算法来猜测使用者的想象，从而实现让轮椅转弯或前行，以及控制外骨骼行走等等。除此之外，无创型脑机接口还可以让使用者选择屏幕上的图标，实现打字的功能，目前的频率已经达到一分钟输入上百个字母了。

植入型脑机接口可以实现更为复杂的功能。2020年初，我国完成了首例植入型脑机接口的临床研究，病人进行4个月的康复训练之后，实现了用意念控制机械臂进食、喝水和日常娱乐等行为。当然，除了能更好地控制假肢活动之外，植入型脑机接口还可以直接读取人想说的话。方法是用电极记录大脑语言区的神经活动，同时让受试者阅读或默念一些句子，然后分析获得脑电信号各频率的相对强度，再根据这些频率找出脑活动对应的语言。了解到脑电频率和语言之间的关系后，就能把记录到的信号转换成句子，即便不开口，机器也能了解并表达使用者想说的话。

近年来，脑机接口在医学康复领域的应用也逐步兴起。比如中风损坏的是大脑皮层的运动中枢，传统的物理训练康复只是活动胳膊和腿脚，效果并不很好。如今，基于脑机接口开发了一种主动的训练方式，即让中风病人想象瘫痪肢体的运动，在想象时，脑电波是有反应的，从而可以通过脑机接口系统测量到这种脑电波信号，一旦发现病人真的想动时，再去启动训练的机器人，这种训练方式非常有效。2014年，天津大学神经工程团队研制了一套应用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统，在患者体外仿生构筑了一条人工神经通路，通过模拟解码患者的运动康复意念信号，驱动神经肌肉电刺激，从而让瘫痪的肢体做出了对应的动作。

此外，脑机接口也能应用到健康人的训练当中，比如可以探测到优秀射击选手执行任务时的脑状态，因此，把脑活动及时反馈给射击选手，让其了解自己距离优秀水平还有多大差距，从而调整脑状态，尽快达到优秀水平。

以上介绍的都是用脑机接口读取大脑信号，然后将解码的信息发送出去，以实现某种目的。除此之外，脑机接口也能向大脑传递信息，刺激电极周围的神经元，既能提供反馈（比如用机械臂抓握玻璃杯时，通过相应的反馈来调整抓握力度），也能产生人工触觉、人工视觉和人工听觉。不过，脑内电刺激还处在实验阶段，相比之下，神经接口电刺激（对大脑以外的神经进行电刺激的技术）发展较为成熟，一些利用该技术的神经接口产品已经上市，比如人工耳蜗和人工视网膜，分别是用电刺激来激活听觉神经和视网膜里的神经元，从而让患者重新获得听觉和视觉，前提是听觉神经和视网膜神经，以及相关的神经中枢都完好无损。