不論是馬斯克“腦機(jī)接口”（BCI）技術(shù)的重大突破，包括其設(shè)備獲得FDA“突破性設(shè)備計(jì)劃”許可的消息，還是全球范圍內(nèi)以Neuralink、Mind Maze、Neuro Pace、BrainCo等為代表的腦機(jī)接口公司的頻現(xiàn)，都昭示著曾經(jīng)被視為科幻的腦機(jī)接口如今已照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的事實(shí)。

腦機(jī)接口的熱議似乎也走向了賽博朋克里關(guān)于“人機(jī)”的預(yù)言，即所謂的“自由個(gè)人”終將成為一個(gè)虛構(gòu)的故事，轉(zhuǎn)而變?yōu)樯?a target="_blank">算法的組合。而此前，無論是《黑鏡》還是《黑客帝國》都曾從“反烏托邦”的視角討論過“腦機(jī)”存在的未來意義。

當(dāng)然，對(duì)于腦機(jī)接口未來意義的討論是必要的，這關(guān)乎人類文明的生長和社會(huì)整體秩序的更新，但事實(shí)上，大多數(shù)腦機(jī)接口技術(shù)最初其實(shí)是作為醫(yī)療應(yīng)用而被開發(fā)。在遙遠(yuǎn)的“人機(jī)”預(yù)言實(shí)現(xiàn)以前，回到腦機(jī)接口技術(shù)最初的醫(yī)學(xué)使命，也將幫助我們更多地靠近腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)真相。

腦機(jī)接口那些年

腦機(jī)接口作為一種不依賴于外周神經(jīng)和肌肉正常傳出路徑的通訊控制系統(tǒng)可以采集并分析大腦生物電信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備與大腦之間構(gòu)建交流與控制的直接路徑。

盡管腦機(jī)接口在近年來才成為前沿科技研究的熱點(diǎn)技術(shù)，但著眼更長的時(shí)域會(huì)發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口研究的整體歷史更漫長且復(fù)雜得多。

首先，腦機(jī)接口的第一階段為腦結(jié)構(gòu)的理論理解。1924年，德國神經(jīng)科學(xué)家漢斯·伯杰（Hans Berger）首次記錄到了人類大腦的電活動(dòng)，并于1927年發(fā)表了關(guān)于人類腦電波（Electroencephalogram，即EEG）的開創(chuàng)性著作。作為腦機(jī)接口技術(shù)的第一種常用方法，EEG神經(jīng)反饋已經(jīng)被使用了幾十年。

簡(jiǎn)單來說，當(dāng)腦神經(jīng)開始處理信息，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁信號(hào)。而電磁型號(hào)的變化，則反映出當(dāng)前皮層區(qū)域的活躍程度。這些信號(hào)經(jīng)過放大，編譯變成了包含信息的信號(hào)。這樣研究人員就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用算法推測(cè)出大腦想表達(dá)的東西。

對(duì)于這些腦電波（EEG），最初人們對(duì)其在時(shí)域上的波形進(jìn)行分析（尖峰分析法），之后研究者使用傅里葉變換或小波變換分析EEG信號(hào)在頻域上的能量分布（能量譜分析法，可以將腦波分成阿爾法，貝塔，伽馬及德爾塔波）。

自上世紀(jì)中后期以來，混沌動(dòng)力學(xué)興起，人們發(fā)現(xiàn)由于腦神經(jīng)天然的復(fù)雜度，腦波更具有不穩(wěn)定及非線性的特性，所以越來越多的研究者開始用混沌動(dòng)力學(xué)的研究方法分析腦波及腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中分形維數(shù)（FD）就是混沌動(dòng)力學(xué)在腦波分析用到的工具之一。

腦電波的第二階段是大腦信號(hào)的解碼應(yīng)用。1970年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了使用EEG探索大腦交流的計(jì)劃。

1976年，加州大學(xué)洛杉磯分校的雅克·維達(dá)爾（Jacques J． Vidal）發(fā)表了有關(guān)“直接腦機(jī)交流”的開創(chuàng)性理論和技術(shù)建議，創(chuàng)造性給出了腦機(jī)接口沿用至今的標(biāo)準(zhǔn)定義，并將腦機(jī)接口研究與開發(fā)的重點(diǎn)放在輔助患者恢復(fù)受損視力、聽力及運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)修復(fù)之上。

隨著技術(shù)的進(jìn)展，第一批人類用神經(jīng)修復(fù)設(shè)備在90年代中期出現(xiàn)。1998年則是腦機(jī)接口研究的另一大里程碑，研究人員菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）首次將腦機(jī)接口裝備植入人體內(nèi)，使用無線雙電極獲得了高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

腦機(jī)接口因此受到了更多的關(guān)注，而其不依賴外圍神經(jīng)與肌肉的參與便能實(shí)現(xiàn)大腦與計(jì)算機(jī)之間的通訊，則凸顯出了該技術(shù)在輔助治療腦中風(fēng)、癲癇等失能患者上的價(jià)值。

腦機(jī)接口的第三階段是從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的邁進(jìn)。2006年，布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù)，能夠用來控制鼠標(biāo)。2012年，腦機(jī)接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行操控，自己喝水、吃飯、打字與人交流。

2014年巴西世界杯開幕式，高位截癱青年Juliano Pinto在腦機(jī)接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開出一球；2016年，Nathan Copeland用意念控制機(jī)械手臂和美國總統(tǒng)奧巴馬握手。

2017年，BrainGate 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過植入式腦機(jī)接口控制植入式功能性電刺激裝置，相當(dāng)于在原本神經(jīng)回路的斷口處利用外接計(jì)算機(jī)進(jìn)行修復(fù)連接，使得脊髓損傷病人可以通過大腦活動(dòng)控制自己的手臂，自主進(jìn)行一些日常活動(dòng)。

至此，這種閉環(huán)的腦機(jī)接口操縱才在本質(zhì)上接近了人們過去在科幻作品中看到的未來感形象，腦機(jī)接口作為人類器官的延伸成為人類自然身體一部分的想法才真正成為可能。

從醫(yī)學(xué)使命到現(xiàn)實(shí)生活

隨著技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)需求的逐步擴(kuò)大，腦機(jī)接口技術(shù)由最初僅為完全沒有活動(dòng)能力的患者提供輔助治療，拓展到拼寫、控制指針運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。同時(shí)，具有控制神經(jīng)假體功能的各種腦機(jī)接口系統(tǒng)、信號(hào)處理技術(shù)也在此基礎(chǔ)上開始發(fā)展。

醫(yī)療康復(fù)是腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用最主要的方面。腦機(jī)接口可通過與環(huán)境的交互實(shí)現(xiàn)重癥癱瘓患者多種功能的替代，也可促進(jìn)大腦重塑以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，減輕殘疾程度以改善患者生活質(zhì)量。

比如，重度運(yùn)動(dòng)障礙患者可以在腦機(jī)接口技術(shù)幫助下，借助意念控制機(jī)械臂操作完成一些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括肌萎縮性（脊髓）側(cè)索硬化、脊髓損傷及其他殘疾患者，利用腦機(jī)接口機(jī)械假肢或腦機(jī)接口電動(dòng)輪椅等以補(bǔ)償部分功能。而運(yùn)動(dòng)功能喪失患者則有望借助腦機(jī)接口技術(shù)利用自身腦電圖操控輪椅或機(jī)器人，以輔助一些基本運(yùn)動(dòng)功能。

另一方面，研究已經(jīng)證實(shí)腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)腦卒中所致四肢癱瘓患者，尤其是閉鎖綜合征患者也有一定改善效果，腦機(jī)接口技術(shù)也可以刺激暫時(shí)性植物人患者腦部以恢復(fù)部分腦功能。這也顯示出了腦機(jī)接口在大腦可塑性方向上的巨大前景。

在8月27日的Neuralink發(fā)布會(huì)上，馬斯克就表示，未來人人都可以在腦部植入一個(gè)芯片，解決從記憶力喪失到聽力喪失、失明、癱瘓、抑郁、失眠、焦慮、中風(fēng)、腦部損害等一系列問題以改善嚴(yán)重神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的生活質(zhì)量。

而基于使用腦神經(jīng)的信號(hào)控制體外裝置，滿足特殊需求的初級(jí)腦機(jī)接口的更多了解，直接讓我們更深刻體會(huì)到腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)，和其現(xiàn)階段面臨的落地困境——無論是醫(yī)療康復(fù)還是腦疾治療，都需要克服對(duì)腦電信號(hào)的解碼困境。

以馬斯克 Neuralink 的腦機(jī)接口項(xiàng)目為例，事實(shí)上，除了他的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)電極數(shù)目更多、電極更柔軟以及設(shè)備微型化，本質(zhì)上并沒有對(duì)腦電信號(hào)解碼的突破。

人的語言是一個(gè)極具創(chuàng)造性的系統(tǒng)，其使用在語法規(guī)則外沒有任何限制。也就是說，進(jìn)化數(shù)百萬年來，現(xiàn)實(shí)中的對(duì)話已經(jīng)是一個(gè)集合了聲音、符號(hào)、手勢(shì)、表情在內(nèi)的成熟的交流體系，并且這個(gè)體系仍然在日新月異的不斷完善中，而僅僅依賴腦電波信號(hào)一種維度來解碼這個(gè)復(fù)雜體系，其難度可想而知。

人腦是一個(gè)一直在運(yùn)行的器官，其腦電信號(hào)是持續(xù)不止的，尤其是在現(xiàn)實(shí)中，人腦常常是在執(zhí)行聽說功能的同時(shí)，還在進(jìn)行觸覺、視覺、味覺、嗅覺以及運(yùn)動(dòng)等多種功能的運(yùn)行。

但事實(shí)上，到目前為止，當(dāng)前科學(xué)僅僅知道人的語言功能與大腦分區(qū)有關(guān)，并不知道數(shù)百億神經(jīng)元中的映射機(jī)制，也并不清楚不同功能腦區(qū)相互干擾的具體情況。

語言的解碼不僅限于聽說帶來的聲波信號(hào)，每個(gè)詞匯和句子還會(huì)給人一種語義，而這個(gè)語義就會(huì)對(duì)每個(gè)人的反饋不一樣。

比如，全世界有上萬種語言和方言，那么對(duì)于同一個(gè)語義，不同語言和方言對(duì)應(yīng)腦電信號(hào)都可能有差異，甚至對(duì)于不同環(huán)境成長的同一語言人群以及同一個(gè)人在不同年齡段和不同情緒狀態(tài)下的腦電信號(hào)都可能不同。還有，對(duì)于同一時(shí)間的同一個(gè)人，同一個(gè)詞匯可能都會(huì)引起不同刺激程度的腦電信號(hào)。

同時(shí)，語言之外更有意識(shí)，說出來的語言和聽到的語言有聲波的物理性質(zhì)，這些物理信號(hào)是確定的刺激信號(hào)，而意識(shí)則擁有更大的模糊不確定性。

在遙遠(yuǎn)的“人機(jī)”預(yù)言實(shí)現(xiàn)以前，回到腦機(jī)接口技術(shù)最初的醫(yī)學(xué)使命，也將幫助我們更多地靠近腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)真相。顯然，相較于人體其他組織，人類大腦亦擁有更為精妙的結(jié)構(gòu)，要想破解人類大腦的“秘密”還需要更多的探索，而距離成熟的腦機(jī)接口技術(shù)興許還有很長的路要走。
責(zé)編AJX