脑机接口:脑洞大开想象未来

　　美国人马斯克的举动在中国往往会引起关注，比如，北京时间2020年8月29日凌晨，马斯克在美国旧金山展示了一枚只有硬币大小，拥有 1024 个信道，可置于颅骨内侧，读取脑神经信息，实时无线传输脑电波数据的芯片。这样的脑机芯片有可能治疗听觉或视觉障碍、失忆、抑郁、癫痫、中风等。使用这样的脑机接口（BCI）技术，不仅可以玩虚拟游戏，还可以存储或替换记忆，甚至可以某种程度上实现“心灵感应”，或者将人的意识数字化后存储在“云”中实现“永生”。

　　当然，这只是精于“画大饼”的马斯克对脑机接口技术的未来憧憬，却吸引了无数关注。

　　不过，马斯克的高明之处，就在于他要打开你的脑洞，描绘一个美妙前景，似乎那个美好的东西，即将唾手可得。对于脑机接口技术也是如此，似乎人脑与电脑互联，人脑指挥电脑甚至其他机器设备指日可待，实际上，脑机接口技术已经经历了几十年的发展历程，未来的路程更为艰难。

　　脑机接口技术的发展

　　脑机接口技术是一种在人脑或动物脑，包括脑细胞培养物，与计算机或其他电子设备之间建立的一种全新通信和控制技术通路。其新奇之处在于，脑机通信不再依赖于常规大脑信息输出通路，如周围神经和肌肉组织，就可以直接通信。

　　在1924年德国精神科医生汉斯·贝格尔发现了脑电波之后，人们意识到人的意识可以转化为电子信号被读取。以此为基础，脑机接口技术开始起步。

　　像任何科学技术研究一样，脑机接口技术一直到20世纪60年代末都没有像样的进展。

　　1969年，埃伯哈德·费兹完成猴脑触发奖励游戏，标志着脑机接口技术走出了关键一步。一旦猴子的一个神经元转动仪表指针，猴子就可得到一颗香蕉味的丸子。就像心理学上著名的巴甫洛夫试验，猴子要想得到奖励，就越来越擅长这个游戏，也就使猴子学会了控制神经元触发行为。

　　1970年，美国国防高级研究计划局（DARPA）开始组建团队研究脑机接口技术。美国人对前沿科技的注重可见一斑。

　　1978年，William Dobelle将68个电极阵列植入了盲人的视觉皮层，成功让盲人感受到了光幻视。

　　20世纪90年代末至21世纪初，脑机接口技术经历了一波发展高峰，主要成绩多局限在疾病治疗上。如，1998年脑干中风病人被植入神经信号模拟装置之后，成功实现了对于电脑光标的控制；通过脑部手术，将电脑芯片和人脑连接起来，使人脑能对其他设备进行远程控制。

　　其中，2005年是一个具有标志意义的年份。这一年，经美国FDA批准，运动皮层脑机接口临床试验得以进行。随后，脑机接口企业出现增长；也是在2005年，四肢瘫痪病人通过96个电极阵列的脑机接口技术可以控制机械臂。

　　2009年模拟海马体功能的神经芯片诞生；身着机器战甲的截肢残疾者，凭借脑机接口和机械外骨骼，在2012年巴西世界杯上开球；2014年，脑电信号实现“脑对脑”的交流。

　　近几年，脑机接口技术更是快速发展，尤其是2016年成果丰硕。2016年8月，8名瘫痪多年的脊髓损伤患者，借用控制仿生外骨骼，利用VR技术恢复触觉反馈，加以不辍地训练，部分恢复了下肢肌肉功能和感知功能。同年9月，一只猴子在接受脑机接口技术训练后，创造了1分钟内打出了12个英文单词的记录。 再一个月，在世界第一届Cybathlon半机械人运动会上，残疾人运动员参与了动力假肢竞赛、外骨骼驱动竞赛、功能性电刺激自行车6个项目的比赛。就在同一个月的13日，瘫痪男子Nathan Copeland利用意念控制机械手，完成和美国总统奥巴马的“握手”。11月，一名肌萎缩病人借助脑机接口技术，开始与他人进行思想交流，并能使用计算机打字。12月，在没有植入大脑电极的情况下，普通人只凭借“意念”，即可在三维空间内控制物体。

　　2017年2月，三名受试瘫痪者通过简单的想象精准地控制电脑光标，并成功输入了想说的话；同年4月，“意念打字”被成功演示。

　　2018年9月，美国国防部高级研究计划局公布飞行员借助思维同时操控多架飞机和无人机；11月，三名瘫痪者在新型脑机接口芯片的帮助下，可以利用“意念”自主操作平板电脑及多种应用程序。

　　2019年4月，一种可以将人脑神经信号转化为语音的解码器被开发出来。同年7月，马斯克发布了脑机接口技术的重大突破，利用一台神经手术机器人在脑部28平方毫米的面积上，植入96根直径4~6微米的“线”，总共包含3072个电极，然后可以直接通过USB－C接口读取大脑信号；7月30日，Facebook资助的加州大学旧金山分校（UCSF）的脑机接口技术研究团队，首次证明可以从大脑活动中提取人类说出某个词汇的深层含义，并将提取内容迅速转换成文本。

　　怎么能做到以上突破？从理论上说，脑机接口技术通过信号采集设备从大脑皮层采集到脑电信号后，再行放大、滤波、A/D转换等处理，就可以转换为被计算机识别的信号。对这些信号进行预处理，提取其特征信号，并对这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令信号，从而达到控制外部设备的目的。

　　应用与市场前景

　　一切技术发明的最终目的都是要投入应用，脑机接口技术也不例外。只是它的应用前景不仅越来越清晰，而且越来越广阔，比如可以帮助人们通过思维来控制安装了脑机接口的机器人，去做各种笨重危险的工作。脑机接口技术不仅有助于残疾人康复、老人或病人护理等，而且可广泛应用于教育、军事、娱乐、智能家居等领域。

　　医疗健康

　　医疗领域主要在两个方向，即“恢复”与“强化”。现阶段多以“恢复”为主。原因在于，一是最初的研究多集中于这个方向，二是实现起来相对容易。如中风、癫痫等疾病以及残障人士的缺失功能恢复，实现的主要方式是神经反馈训练。“恢复”在全球的一些医院、诊所、康复中心已有广泛应用，另有不少创业公司研发制造了用于“恢复”的可穿戴设备。

　　“强化”主要是将芯片植入大脑，以增强记忆、完善人脑和计算设备的软连接，并增加信道数量。这通常被称之为“人类增强”（HI），又分为深浅两个层次，即浅层次的脑机单向与深层次的机脑双向。在做“强化”方面的著名公司就是马斯克创办的Neuralink，另外像Paradromics、Kernel、Ctrl-labs 等公司也都获得了资金支持。

　　可以说，“恢复”与“强化”都有着很好的市场前景。“强化”的未来相对更被看好。原因，一是实现难度较高，二是市场有待充分开发。

　　那么，在健康领域，目前主要是冥想减压，如相关创业公司推出的脑电波检测头环，可以帮助有此类需求的用户，通过实时音频反馈辅助提升冥想效果，本质上是一种音乐疗法。在北美，已形成规模市场。

　　具体来说，就是“恢复”或“强化”患者和用户的日常交流能力、控制生活环境等能力、运动能力、肢体使用能力、感知能力等。

　　体验式娱乐

　　脑机接口技术与虚拟现实技术相结合，无需外设操控设备，就可以通过思维直接控制或扮演游戏角色，获得身临其境的沉浸式游戏体验。

　　学习注意力

　　这与医疗领域的“恢复”有些类似，主要是针对集中学习注意力有困难的学生，实时探测其学习注意力阈值，并进行注意力集中训练。同时，可以帮助老师做出教学方法、教学方式的改变。2019年，媒体曾报道过浙江一小学利用脑机接口头环监控小学生注意力的新闻。

　　智能家居

　　这是脑机接口与物联网（IoT）、AI跨领域结合的新应用。在其中，脑机接口类似于“遥控器”，而不同在于不是依靠发射的光波，而是利用意念控制开关，实现电灯、屋门、窗帘等闭合，更进一步是指挥家庭服务机器人。

　　增强军事能力

　　它可以帮助士兵更好地操控无人机、无人车、机器人等战斗单元，也可以代替军人去执行各种危险任务，包括不适宜军人活动的场所，从事危险作战任务，减少人员伤亡。

　　帮助军人提升单兵作战能力，如指挥机器人攻防战。

　　市场规模

　　市场方面，联合市场研究公司数据显示，2020年脑机接口的市场规模为14.6 亿美元。2019年 Neuralink 完成了近 2 亿美元的融资，另一家脑机接口创新企业 CTRL-Labs 投入了约 10 亿美元。就国内来说，科研、医疗、消费等领域，已形成千亿级规模的市场。

　　据测算，仅脑机接口设备，全球市场规模在5年内将达到25亿美元。从脑机接口技术延伸到的科技领域来看，市场规模在5年内更高达数千亿美元，如脑机接口反馈治疗、大脑检测系统、教育科技、游戏产业等，分别在460亿、120亿、2500亿、1200亿美元左右。

　　如果算上脑机融合，以硅基生物和碳基生物相融合，打造超强人脑，以及脑机接口技术进步推动脑电机理、脑认知、脑康复、信号处理、模式识别、芯片技术、计算技术的提升，其市场规模将更加广阔。

　　全球竞争战略高地

　　因此，不论是脑机接口技术，还是市场应用已然成为全球竞争的战略高地。仅就政策来看，美国早在1989年率先推出脑科学计划。白宫于2013年4月又提出与人类基因组计划并峙的“脑计划”，启动资金逾1亿美元，后又快速调整，计划未来12年共投入45亿美元。

　　欧盟在1991年出台“欧洲脑10年”计划。2013年1月，欧盟将人脑工程列入“未来新兴旗舰技术项目”，并设立“人类大脑计划”，从2013年到2023年有10亿欧元经费的投入。

　　日本在1996年推出为期20年的“脑科学时代”计划，每年计划投资1000亿日元。2014年9月，日本文部科学省公布了“脑计划”的首席科学家和组织模式。

　　中国尽管没有独立的“脑计划”，但“脑科学和类脑研究”被列入“十三五”规划纲要中的国家重大科技创新工程项目。中科院于2020年初成立了20个院所80个精英实验室在内的脑科学和智能技术卓越创新中心。从2010年的每年约3.48亿元资金支持，很快增长到2013年的每年近5亿元人民币。

　　脑机接口技术中的神经控制界面、意识-机器界面、直接神经界面、脑机接口在2018年被美国商务部列入了出口管制框架。技术与市场竞争正趋激烈。

　　挑战与未来展望

　　脑机接口技术作为新兴科技前沿领域，是计算机科学、神经科学、心理科学、生物医学、信息处理、自动控制等多领域融合的技术，所涉及的学科仍有大量问题有待解决，面临着诸多挑战。

　　数量庞大且复杂的神经元有待解析

　　脑机接口技术是以脑神经信息输出与输入为基础的。但作为神经信息输出与输入的神经元在大脑皮层就多达 200亿个，各类神经元的总数高达1000 亿个。脑机芯片模拟大脑皮层这200 亿个神经元，不仅要模拟个体的脑神经元如何工作，而且要模拟个体之间的信息交流是如何完成的，尤其要实现语言信息的准确及完整，无疑是极其困难的。

　　更大的困难在于，这大约200亿个神经元细胞体分布在体积约为50万立方毫米的空间里。联络之的神经树突、轴突，每立方毫米皮质层里约有4万个，且长短粗细各不相同，功能千差万别。可以想象找到功能匹配的神经元的困难程度，这还没有考虑神经可塑性问题，如神经元的电压随时变化等。

　　而神经元并不是孤立存在的，它们存在于功能多样的胶质细胞（数量数倍于神经元）里，并由极为精细的血管供应营养。

　　脑机接口技术的发展也遵循着摩尔定律。据统计，平均7.4年脑机接口技术才使可同时记录的神经元数量翻倍。以此计算，要达到同时记录100万个神经元则要到2100年。完全记录所有神经元，则要等到2225年。这一方面说明了彻底解决神经元信息问题的困难程度，另一方面也说明必须有新的技术加速这一进程。

　　信号识别精度偏低

　　我们知道，使用同一语言交流的人们，对于语意的理解都难免出现错误。那么，用机器记录脑信号，并正确识别难免错误。同时记录神经元的数量越多，难度就越大，识别精度也越低。资料显示，随着识别难度的增加，准确识别率逐步降低，大概从90%下降到70%。这样的信号识别精度，相对于人类思维的复杂度来说，是远远不够的。

　　信号处理和信息转换速度慢

　　人的脑电信号必须转换成计算机能识别的控制信号或命令，才能由脑机芯片处理。在信号转换算法可靠的情况下，提高转换速率成为一大难点，即要有足够的算力将神经电信号实时、快速、准确地转换成计算机可识别的信号。目前，脑机接口技术最快的转换速度为68bit/min，此速度远低于人与人正常交流时理解速度。

　　另一层面的问题是，人与人之间存在着巨大的个体差异性，同时环境又极大地影响着大脑神经元的连结结构和连结强度。目前的脑机技术还无法准确反应受试者的情绪、记忆负荷等心理因素以及精神状态、疲劳程度和注意力集中水平等。

　　信号采集和处理方法亟待改进

　　人与人的交流中，会自动隔离干扰信号。但在机器采集脑电信号的过程中，是无法排除干扰信号的。这就要求设计出抗干扰能力强的脑电信号采集设备。在人工智能不具备人脑反应机能的条件下，这样的问题不可能从根本上解决。笔者认为，只是靠设计好的途径排除干扰，而不是像人的反应那样有意识地排除干扰，并不是可靠的解决途径。

　　自适应性较差

　　自适应性差别包括前面几项挑战，都是机器与人相比而出现的问题。人类具有对于时空变化的快速认知和自适应能力。目前，仅人脑和脑机接口之间的信号处理与转换算法如何相互适应，就存在着很大的问题，更不用说脑机芯片的自适应能力了。

　　适用的生物材料难以解决

　　脑机接口需要与大脑兼容的生物材料，并能保证长期高质量使用，同时要将材料价格降低到市场可接受的水平，这些问题都远没有解决。这也是新技术普遍推广使用的难点所在。

　　大脑反馈刺激研究没有突破

　　目前，脑机技术的突破主要是对于脑信号识别的突破，正确理解上有突破，而在对大脑的直接反馈（指信号输入）上进展缓慢，仍然依赖于人的视听觉等反馈，缺乏自主判断能力。一方面是担心损伤正常人的大脑，另一方面是担心残疾人的大脑更为脆弱，更难以承担损伤冲击。

　　缺乏性能评价标准

　　作为一种新兴的、复杂的、跨学科的前沿技术，脑机接口技术仍在初级阶段，需要在发展中不断完善，问题多多。仅以芯片信道来说，增长趋势不可逆转，但数量极限仍未可知。是否以人的反应能力作为评判标准仍不确定，需要科研工作者们讨论解决。

　　除了以上技术上的问题，还存在政策与社会问题的挑战，如技术监管盲区、道德伦理争议、商业化模式探索等。

　　脑洞大开想象未来

　　未来，脑机接口小型化、便携化、可穿戴化及简单易用化会是发展方向，随着芯片的纳米级应用，期望能与脑神经元大小相类似的晶体产生，同时不是抗干扰能力的提高，而是具备排除干扰的能力，实现对人的思维意识的实时准确识别。也就是说，一方面电脑自适应性越来越接近于人脑，另一方面是电脑与人脑可以更好地协同工作。聋人能恢复听觉，盲人能认知图像，肢体残疾人士修复肌体机能。不仅能解决物理疾病，而且能解决心理问题，真正促进人类的身心健康。

　　在充分保障大脑思想、幻想以及异议自由的情况下，人脑与人脑、人脑与电脑、电脑与电脑之间，能够跨越时空限制顺畅交流，打破人类的认知界限。

　　事实上，脑机接口作为一项新兴技术已经站在了时代的风口，与此相伴的是巨大的争议和质疑，除了技术壁垒外，必然面对的传统伦理的拷问。而如何平衡一项新技术的发展与约束，则将成为很长时间内科学发展中的一道难题。在无论何种脑机接口真正落地以前，我们仍要面对科技伦理的拷问，只有辅之以人性，科技才能有温度。