脑机接口系统旨在建立一种脑与外部设备之间直接的双向交流通道，以同时实现对外部设备的控制和对脑的调控。脑机接口技术在脑疾病的诊断、治疗、康复等方面具有丰富广泛的应用场景，可以大大提升医疗水平，但其在性能、精准、高效、安全等方面仍存在众多挑战。
仇晓春
上海交通大学研究馆员
▲国内第一例植入式脑机接口临床研究
01
脑电波揭开大脑神秘面纱
在生命科学中，电与磁作为一组深度耦合的信号，携带了大量生命体活动的信息，并且在一定程度上具有互补性。以人类最复杂的器官——大脑为典型代表，由数以万计的神经元组成，其内部神经元之间最重要的通讯载体就是电流。
1924年6月，德国耶拿大学的神经内科专家汉斯·贝格尔在一名17岁颅骨缺陷的病人头皮上记录到了电流计镜面的微小振动，而这个极微小的电流，正是人类历史上第一次记录到的人脑的电活动。大脑处理信息外界的刺激信号，比如听到的、看到的，都需要以神经脉冲的形式来传递，把各种信号转变为频率、节奏、波长等神经脉冲来表示不同的信息，精确描记大脑活动时的频率、波长等神经脉冲，并对其进行分析，从而使得我们可以从“波”的角度来认识我们的大脑。
▲20世纪的脑电图仪器、汉斯·贝格尔及其记录的人类脑电信号
02
窥视“三磅宇宙”的小窗
科学家用浩瀚无垠的宇宙形容大脑的复杂，它也因此被称为“三磅宇宙”。按照神经信号的获取途径，脑机接口主要分为非侵入式和侵入式两大类。起步较早的是非侵入式脑机接口，它通常是通过放置于头皮上的电极来记录脑电信号，并对其进行解码来实现的。
▲2014年FIFA世界杯：胸部以下瘫痪的朱利安诺·平托在外骨骼的帮助下在开幕式上踢出了他的第一脚
侵入式脑机接口往往通过神经外科手术，将电极等传感设备植入颅内甚至大脑皮层里，采集高时空分辨率和信噪比的神经活动信号，并将其传出进行解码。记录的神经电活动信号主要有动作电位脉冲、局域场电位和皮层脑电图等。由于开颅手术和植入器件的过程中，不可避免会造成组织损伤和排异反应，因此，侵入式脑机接口的器件植入、手术过程和解码算法等，往往需要在猕猴等动物身上试验成功后，才能转到人体上。2021年，马斯克的Neuralink公司已能在一只名为“帕格”猕猴身上通过在其脑内植入的Neuralink设备，实现1024道神经信号的长期稳定记录，可以让它在没有游戏操纵杆的情况下，仅用大脑意念方式就可以控制一台电脑，玩转“MindPong”游戏（一款模拟两人玩乒乓球的电子游戏）。
▲脑机接口的典型工作流程
▲2021年Neuralink展示大脑被植入芯片的猴子通过意念玩电脑游戏
03
从实验室走到现实世界
在科幻电影中，经常有这样的场景——残疾人可以用机械臂自如地弹唱，失语者可以重新“开口说话”，失聪者能再次听到声音，人类依靠“意念”指挥着庞大的机械……其实，这些神奇的场景并不仅仅是科幻想象，现实中，不断发展的“脑机接口技术”正是要在将来让这些变成现实。近十几年来，脑机接口不断接近了人们过去在科幻作品中看到的未来形象。2006年，美国布朗大学研究团队完成首个大脑运动皮层脑机接口设备植入手术，四肢瘫痪的病人能够通过运动意图来完成机械臂控制、电脑光标控制等任务。2012年，脑机接口设备已能够胜任更复杂和广泛的操作，国外有团队为一位瘫痪女士植入了96个电极的脑机接口设备，让她用大脑操控机械臂实现自己喝水、吃饭、打字、与人交流等。2017年，美国凯斯西储大学的研究人员通过解码皮层植入电极阵列记录到的神经信号，对残疾人的手臂肌肉进行功能性电刺激，使得脊髓损伤的残疾人能通过意念控制原本失控的手臂给自己喂食。
▲将两个带有88个导线电极的微电极阵列植入到运动皮层的手部和手臂（图B），以解码运动意图（图E）。在区域1（图B）中植入了另外两个带有32个有线电极的微电极阵列，该区域是体感皮层的皮肤区域。刺激在参与者右手的手掌和手指中诱发感觉（图C，D）
医疗健康领域是目前脑机接口最直接、最主要的应用领域，也是商业化程度最高的场景之一。脑机接口技术可以跨越常规的大脑信息输出通路，实现大脑与外部设备的直接交互，通过脑机接口设备获取运动、视觉、听觉、语言等大脑区域的信息并分析，实现对疾病的监测诊断、治疗、康复、管理和预防。同时，随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类已经对运动、视觉、听觉、语言等大脑功能区有了较为深入的研究，那么通过脑机接口设备获取这些大脑区域的信息并分析，在神经、精神系统疾病的体检诊断、筛查监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用。
▲盲人受试者根据对视觉皮层的动态刺激绘制字母
04
脑机时代人类进化的四层金字塔
没有哪项技术能像脑机接口一样，会彻底颠覆我们人类文明的进程。脑机接口技术的颠覆性在于，它在试图替代五万年来我们赖以生存的协作工具：语言。它要绕过语言，建立一个能让大脑和外界直接沟通的全新界面。脑机接口技术将会开发出一片我们从未涉足的无人之地。如果我们的交流是通过意识实现的，如果我们能把思想、情感、记忆都上传到云端，那么我们人类完成协作和创造价值的界面，就会被彻底改变。这个新界面，现在还是一片荒原，但是未来必将被开拓。
▲脑机时代人类进化的四层金字塔
05
结语
生物进化是在加速的，而技术进化是生物进化的延续，技术进化也在不断加速，而且两者都是无方向性的。而真正意义上的脑机接口的出现，则很可能破解人类进化密码，这四层金字塔的应用要是全都实现，那我们人类真的就是靠技术的力量实现了下一步的进化。在漫长的历史进程中，人类已经一次次成功地获得了改变世界的技术，可以乐观地看到，未来，人类能够成功将脑机接口技术融合进生活、赋能产业，助力国民经济发展，提升大众幸福感。