【前沿】腦機介面來啦！

2005年的夏天，

在美國紐約州Albany舉行的全球腦機介面數據分析大賽中，

清華大學的研究人員取得了令人刮目的成績，

超過美國麻省理工學院和斯坦福大學，獲得了第一名。

自此，的腦機介面研究也取得了全世界的認可。

我們將能看到生物體和數字技術結合的智能生物？

如今，各路人工智慧人馬大戰江湖，深度學習（deep learning）已經被認為可以深度模仿人腦的思維方式，在很多領域裡開始替代人類來「思考」。另一群對人腦的崇拜者也不甘寂寞，他們認為如果可以把人腦直接通過某種介面與計算機系統對接，那麼就可以跳過人類的行為和語言，直接就有可能將人腦的能力最大限度地發揮出來。這個介面就是時下最熱門的一個方向：腦機介面（Brain Computer Interfaces：BCI）

2017年初，一則新聞刷爆了各大媒體和朋友圈，使得腦機介面成為公眾談論的熱點話題。美國跨界創新大牛，「鋼鐵俠」Elon Musk投資成立新的公司Neuralink，高調進軍腦機介面領域。從最初的全球最大支付系統Paypal，到後來的豪華電動車Tesla和全美最流行的太陽能系統SolarCity，再到如今的可回收火箭SpaceX和超級軌道交通設想Hyperloop，Musk的每一次創新都將想象變成現實。這一次，他的「異想天開」又轉向腦機介面了。

2016年，他已經向外界透露了「Neural Lace」的想法。他設想在人腦當中植入電極，將大腦和計算機設備連接在一起，這樣就可以使人類用意念與計算機進行交流，從而免去了鍵盤、滑鼠及觸控板低效輸入的煩惱。馬斯克認為：「目前的輸入水平太低了，特別是在智能手機上， 通過幾個手指點擊輸入效率太低，而我們的輸入方式會快很多。」此外，他還認為：「假以時日，我們將能看到生物體和數字技術結合的智能生物。」聽了這席話，明眼人一下就可以看出來，「輸入法」那點兒事兒怎麼可能引起大名鼎鼎的「鋼鐵俠」的興趣，未來的人腦與數字設備結合所帶來的巨大可能性才是他的真正目的。

事實上，Elon Musk並不孤單，腦機介面這個領域在他加入之前已經呈現出紅得發紫的趨勢。

腦機介面「從哪裡來」？

大腦和計算機結合的理論基礎就是著名的腦電圖（EEG）。最早的腦電圖是英國的一位醫學院講師理查德卡頓（Richard Caton）發現的。他在1875年通過直接探測暴露的動物大腦的表面發現了電腦的信號。1887年，卡頓在華盛頓哥倫比亞特區舉行的第九屆國際醫學大會報告說，當他將光線淹沒在動物的眼睛上時，他發現大腦電活動發生變化。有意思的是，在實驗中他不得不使用火焰，因為當時電燈泡還沒有普及。在這項實驗中，他還發現電活動發生在與眼睛相反的腦部。

由於對於大腦早期的研究都是在動物身上進行的，從事這方面工作的神經生物學家們和卡頓所處的醫學界就不是一個圈子。有趣的是，在很長一段時間裡，大腦研究的主流學派竟然都不知道這項發現。直到1890年，才有些科學家重複了卡頓的實驗，把這個事兒告訴了他們的同行。真正記錄腦電圖的第一人是奧地利的漢斯伯格（Hans Berger）博士，他延續了卡頓的實驗，並在1929年實現了人類歷史上第一個腦電波曲線。一年後，在他的論文里，首先命名了人腦的Alpha波和Beta波，並第一次使用了腦電圖的縮寫EEG（Electro Encephalo Gram）。伯格的研究成果激發了一大批學者展開了這方面的工作，短時間內取得了很多令人驚喜的成績。然而他生不逢時，由於納粹的迫害，他不得不提前放棄自己的研究工作，並在1941年自殺了。

伯格曾經獲得過兩次諾貝爾獎的提名，而且都被認為是眾望所歸。不幸的是，納粹阻止他獲獎，使得這項劃時代的發現最終沒有得到應有的認可。

這個窗口被打開后，對於人腦的研究在醫學界取得了長足的進步，很多成果被應用於腦損傷患者的康復治療以及一些神經性疾病的治療。與此同時，一些同時精通神經學和計算科學的學者們開始把對腦電波進行記錄和分析，展開了腦機介面的研究。

現代神經學的奠基人查爾斯謝靈頓（Charles Sherrington）後來發現肌肉的控制是由脊髓中的運動神經細胞協同完成的，確切地講是個「團隊」行為，並非簡單的一對一的控制。此項發現也幫助他獲得了1932年諾貝爾獎。到了上世紀80年代，這種神秘的「團隊」協作方式被慢慢地揭開。原來運動皮層神經細胞是用一種「民主投票」的方式協同編碼肢體的運動方向。每個運動皮層神經細胞都執著於自己的方向，有些定位在30度，有些常年偏好45度等等，當大腦決定把某個肢體伸向某個目標角度時，相關的運動神經細胞都會參與放電，如果這個目標角度和自己定義的方向接近，它就多放些電，否則就少放一些電。多股電流疊加在一起，形成了驅動肢體運動的神經信號。

1963年的英國醫生格雷沃特（ Grey Walter）做了一次突發奇想的實驗，被認為是腦機介面最早的成功實踐之一。當時，在他的一個項目里，由於腦內病灶的需要，一些癲癇病人已經在腦內植入了電極。有一天，沃特突發靈感，在病人們欣賞自然風光的幻燈片時，偷偷把腦電電極接在自己發明的「電位轉換器」上。通過這種方式，他把病人大腦運動皮層的場電位信號截取下來，處理之後轉換成了幻燈機換片的控制信號。於是「讀心術」被實現了：病人們每次想著要切換幻燈片的時候，還沒有按動切換的按鈕，幻燈機就已經「明白」了他們的心思，自動切換了幻燈片！這被認為是人類歷史上腦機介面技術的第一次完整實現：侵入式電極採集大腦神經信號，處理之後轉換為機器設備可以識別的信息，達到控制外部設備的功能。

在這之後，類似的實驗層出不窮，腦機介面逐步被確定為一個專門的領域。2005年的夏天，在美國紐約州Albany舉行的全球腦機介面數據分析大賽中，清華大學的研究人員取得了令人刮目的成績，超過美國麻省理工學院和斯坦福大學，獲得了第一名。自此，的腦機介面研究也取得了全世界的認可。

2010年，另一項研究真正讓大家見識了腦機介面的實力。通過功能性核磁共振成像（fMRI）技術，一名車禍后昏迷兩年，又陷入「永久性植物人」狀態長達5年的比利時男子，可通過腦機介面傳達出簡單的信息，與醫生進行簡單溝通，回答「是」和「不是」。這是世界首例植物人用腦電波與醫生「對話」，整個國際醫學界為之震驚！

腦機介面「在做什麼」？

腦電圖的獲取方式（或者腦機介面的實現方式）大致有三種：

一種被稱為侵入式腦機介面。這種方式將電極直接植入到人腦的灰質，因而所獲取的神經信號的質量比較高。但其缺點也是顯而易見的，手術的難度比較高，而且容易引發免疫反應和愈傷組織疤痕，進而可能導致信號質量的衰退甚至消失。

另一種是部分侵入式腦機介面。在這種方式中，電極會被植入顱腔內，但是位於人腦灰質之外。雖然其空間解析度不如侵入式腦機介面採集到的數據，但是引發免疫反應和愈傷組織的幾率較小。

最後一種就是現在研究領域比較流行的非侵入式腦機介面。它使用一種頭戴裝置來採集腦電圖，這種方式在對人安全、成本相對較低的情況下具有一定的信息傳輸速率，且比較接近理想中簡單、便攜的BCI。還有一種方法是用fMRI技術構建非侵入式腦機介面，這種方式成本要高很多。上面提到的與植物人交流的例子，就是用的這種方式。

從研究子領域看，大部分比較有成果的方向都集中在上面提到的運動皮層的研究上。在這個層面上的研究面臨的挑戰要小一些，肢體機械運動的信號維度比較低，神經元對三位運動矢量、速度等信息的編碼比較簡單（或者說可以進行足夠高精度的近似），所以可以做出比較好的精度。像電影蜘蛛俠里八爪博士那樣用自己的意念控制機械手臂的「傳說」早已經成為了現實，只不過在速度和精度方面還有一些提升的空間。杜克大學神經科學家米格爾尼古萊利斯（Miguel A. Nicolelis）帶領他的團隊利用最新的VR技術與腦機介面技術，結合外骨骼方案，使一名受到脊髓重度損傷的患者重新獲得了行走的能力，並且讓他的腿部重新獲得了觸覺。

在視覺層面的腦機介面研究總的來說要更有挑戰一些，這是因為人的視覺神經系統相對要比運動神經系統複雜的多，信號編碼的維度不僅要高很多，而且需要非常複雜的分析系統對人腦信號進行分析。不過，還是有非常多的科學家和工程師在這個交叉學科作出了很大貢獻。在我之前的《人工智慧的「江湖」》一文中提到的胡貝爾和威瑟爾就在這個領域作出了非常了不起的發現，由此獲得了1981年的諾貝爾醫學獎。這個領域的研究在人工智慧領域也得到了很大的發展，著名的深度學習中的卷及神經網路就是這個學科的產物。

腦機介面「到哪裡去」？

毫無疑問，用「日新月異」來形容現在腦機介面的發展是再合適不過的了。好像也就是在幾個月前，研究人員還在闡述在電極精度、編碼效率、傳輸延遲、分析複雜度等多個方面的困難，現在大家已經在討論人腦和計算機之間還能擦出什麼火花了。

在Facebook的2017年技術大會上，幾個腦機介面的演示讓所有與會者都興奮起來。在腦機介面的幫助下，全身癱瘓的病人植入腦機介面后，可以通過意念在電腦上輸入文字，不僅可以達到很好的精度，還能達到正常輸入的1/3的速度。還有失聰的患者通過腦機介面，可以使其大腦檢測到手臂上肌肉的電流強度和方向，從而獲取正確的信號，可以真正地「聽到」對方的信息。

上面提到的尼古萊利斯教授在他的書《腦機穿越》中講述了一些「人機融合」的未來。在巨大的投資和研發活動的驅動下，科幻大片中的很多場景已逐漸走入現實。這本書在2015年出版，僅僅在兩年後的「未來」，當時聽起來無法想象的事情就已經成為現實了。從海洋深處到超新星禁區，甚至到我們體內細胞空間的微小裂縫，人類的觸及範圍最終將追上我們探索未知領域的野心。

當然，不是所有的BCI研究都集中在醫學方面。據《科學美國人》報道，華盛頓大學某實驗室做了腦－機－腦介面（也叫腦腦介面BBI）。在這個實驗中，兩個人通過BBI被連起來，一個人只進行腦部活動，並將命令通過這個介面直接發給另一個人；而另一個人什麼都不用想，從介面里得到的命令直接傳到了肌肉，從而實現了一個人的大腦控制了另一個人的軀體。這項研究同樣引起了廣泛的關注，只不過這一次大家討論的核心變成了技術應用的邊界和研究的倫理了。

沃爾特迪斯尼說：「我們所想象的一切，都將變為現實。」

腦機介面的研究和工業化大潮已經湧起，那些所謂的科幻電影和小說中的腦機結合的幻想很多都已經實現了，不遠的將來一定會有一些更讓人嗔目結舌的成果被展示在世人面前。多年之後，我們也許還可以看到被複制、改造甚至升級后的大腦。而且，由於這個介面的存在，人腦與人工智慧的界限也許在未來真的很難分辨。

上面迪斯尼那句名言後面其實還有一個條件：如果我們有勇氣去追求它們的話（if we have the courage to pursue them）。這句話被應用在腦機介面這個領域，應該仍然算是一個激勵。不過，也許在不久以後，這句話會變成一個警告甚至是人類自身的拷問了。

責任編輯：方丹敏

文章節選自2017年8月《大學生》雜誌，更多精彩敬請關注紙質雜誌