中国作家协会主办

我们经常看见科幻电影里面人类应用脑机接口技术和外界进行双向交流, 控制和操作外部设备, 并将外部设备的信息存入大脑. 这种脑机接口技术在科幻电影中已经不算是新鲜题材了, 可是在现实生活中, 脑机接口技术到实际的应用究竟还有多远呢?

笔者认为, 表面脑电信号(EEG) 由于记录信号具体形式的问题, 很难提取到大脑神经元放电细节的具体信息, 例如独立的手指活动的信息. 所以基于EEG 为核心形式的脑机接口一般被认为只能进行一些简单的操作, 例如操纵设备开闭, 左右上下移动等等 (Meng et al., 2016). 虽然市面上也有一些基于EEG脑机接口商用设备, 不过一般也只能产生一些简单的操作信号应用于简单的游戏场景， 远远不可能满足人类现实生活中的一些需求. 虽然也有脑机接口技术应用EcOG采集技术, 就是信号采集电极放在颅骨以内，大脑皮层表面， 而非头皮表面， 但其能记录的具体大脑信号还是不能和植入电极相媲美. 而植入式脑机接口由于其将脑信号采集电极直接植入到人体大脑皮层结构里面 (intracortical recording), 因此其采集到的脑信号在时间和空间上的精度远远大于表面脑电信号和 EcOG, 因此植入式脑机接口也被认为是脑机接口应用到真实生活中最有潜力的技术方式. 本文接下来只对植入式脑机接口做一个简要的概括.

说到植入式脑机接口, 那么就不得不提到采集信号用的电极, 这就要说到生产植入大脑电极的一家著名公司, Blackrock Microsystems. 虽然这是一家小公司, 但是在脑机接口界, 也算是顶顶大名了, 因为此公司生产的犹他电极矩阵, 是目前市面上唯一一家被美国FDA 批准的 用于人体实验的大脑皮层植入式电极. 此电极矩阵为什么叫犹他电极呢? 顾名思义,其最早是由犹他大学的研究者研发的. Blackrock Microsystems 这家公司的前身, 也是由其相关的研究人员成立的. 

目前世界上最大最出名的脑机接口研究机构莫非于 BrainGate了, 这是一个由几家著名大学和医院联合起来的研究机构, 其中包括常春藤名校布朗大学 (Brown University)，在美国医疗研究与医疗仪器开发久负盛名的凯斯西储大学 (Case Western Reserve University)，硅谷著名的斯坦福大学 (Stanford University)，常年在美国医院综合排名前四的麻省总医院 (MGH)， 以及美国国防部下属的老兵医院 (Providence VA Medical Center).

早在2006年, 布朗大学的研究人员就利用植入式的犹他电极证明了此脑机接口技术可以用来控制电脑鼠标 (Hochberg et al., 2006)。 6年之后，布朗大学的研究团队也表明了脑机接口技术可以进行更复杂的操作。在其研究中，一名瘫痪病人可以利用植入式芯片对机械手臂进行操控，例如喂她喝水，吃巧克力等。

在此后不久，BrainGate 又对此技术开发出新的应用，在这一次的研究中，布朗大学和斯坦福大学的研究人员用其研究表明此项脑机接口技术还可以让瘫痪病人操纵电脑鼠标进行打字，从而和互联网实现交流 (Jarosiewicz et al., 2015)。而在2017， BrainGate 研究小组 的另一成员凯斯西储大学又展示了此项技术的又一大重大突破，用植入式脑机接口控制植入式功能性电刺激装置，使得脊柱截瘫的残疾人能够通过意念控制自己的手臂， 喂自己吃东西。 这次技术的突破，不仅是让植入式脑机接口控制病人自己的躯体，同时也是人类历史上第一次 从脑信号采集方式 到 躯体控制装置（功能性电刺激）同时采用植入式技术 (Ajiboye et al., 2017)。

除了BrainGate 研究机构以外，也有一些其他的研究机构对植入式脑机接口技术推动做出了重要贡献。例如，在2013年匹兹堡大学科学家的研究证明，植入式脑机接口技术不仅可以控制机械手臂，甚至可以操控机械手臂做出多种不同的手部动作，从而满足脑机接口用户在日常生活中可能需要的手部抓取的功能 (Collinger et al., 2013)。而巴特莱纪念研究院和俄亥俄州立大学的联合研究团队在2016年展示了植入式犹他电极脑机接口技术不仅可以区分不同的手部动作，而且可以用于控制残疾人自身的躯体， 让其控制自己的手做出不同的手部动作。 在其研究中，科学家和工程师表明了此技术可以用于控制表面功能性电刺激，收缩失去控制的肌肉，从而使残疾人对自己的躯体再一次获得控制 (Bouton et al., 2016)。这也是脑机接口研究史上第一次展示植入式脑机接口直接让残疾人控制自己躯体。不同于上面描述的凯斯西储大学的研究， 这里的研究用的表面电刺激，而非植入式功能性电刺激设备。此外，南加州大学的Richard Anderson 团队也展示了基于植入式犹他电极的脑机接口技术使得瘫痪病人控制机械手臂做一些控制动作。

虽然这些脑机接口的研究很令人振奋，但是上述这些脑机接口的研究仅仅只是脑机接口技术需要实现的一方面: 解码大脑的信息，用于控制。 脑机接口很重要的另外一方面则是编译外界的信息，并将其送入大脑。直观的说，人的本体感觉和触觉。2014年， 凯斯西储大学的Dustin Tyler 团队证明了使用外周神经刺激技术可以恢复截肢病人的手部触觉 (Tan et al., 2014)，其后续研究更是表明了此项技术能够让截肢病人区分不同的手部触觉 (Graczyk et al., 2016)。而对于脊柱截瘫病人的触觉恢复，外周神经刺激不再有效，是因为神经信号无法越过脊柱损伤处再传回大脑 。于是对于脊柱截瘫病人的触觉回复，刺激的部位一定会选择在脊柱损伤处之上更靠近大脑的地方。匹兹堡大学的研究人员于2016年展示了植入式犹他电极的脑机接口技术可以提供微小电流刺激给大脑的感觉中枢， 从而恢复高位截瘫病人的手部触觉 (Flesher et al., 2016)。

即便植入式脑机接口技术的发展已经有了上述诸多技术上的突破，但是笔者认为，脑机接口技术从成熟到投入到临床使用，甚至商业化为普通人所使用的道路还很漫长，少则半世纪，多则上百年。

以下是目前脑机接口技术发展的一些重大瓶颈。

对大脑的功能认知仍然不足。 虽然较一百年前相比，人类对大脑的认识有了很大的进步，但是人类对大脑全部 功能的理解和认识还远远不够。个体神经元的放电和高层神经网络电位波动之间联系，以及这些基础电位变化和人体认知行为之间的联系还有很多很多谜团需要我们去破解。

工程学上对大脑信号记录方式的欠缺。虽然目前有各种各样的记录脑信号的方式， 但是都并不能满足我们对大脑信号采集的要求。植入式电极作为大脑信号记录的最精密的方式，其也有着各种各样的不足。例如，仍何植入式电极都会对大脑皮层造成或多或少的损伤。大脑的排异反应，植入电极的长久机械化学性能的改变，使得目前所有的技术都不能实现对大脑信号的长期持续采集。这正是脑机接口应用过程中面临的最核心的问题。其次，目前的植入式电极的采集范围非常有限， 而大脑是一个庞大的精密系统，同时又拥有着复杂的3D结构。 所以目前世面上所有的植入式电极采集技术对大脑信号的提取都是沧海一粟，冰山一角。这也使得我们人类很难对大脑功能的恢复有质的改变。

外部设备的小型化。如果讨论脑机接口技术的常用化，那么外部设备的小型化一定是要完成的。大脑信号的采集是一个很复杂过程，采集完成后续的模拟到数字信号的转化，人工智能算法的应用，以及控制信号产生后与终端设备或是人体经行控制或交流的方式， 这一系列过程中需要使用的外部设备必须要轻便到能够成为便携设备。这样脑机接口的技术才能为人类在日常生活当中使用。这就要求微电子，电路，芯片生产，以及功耗等一系列技术都要有远远高于目前水平的质的飞跃。而目前植入式脑机接口技术大都停留在实验室研究阶段，所需要的各类仪器累计在一起至少也有一张饭桌那么大，远远不能满足脑机接口日常化的要求。

工程数学上对脑机接口的控制系统的改进。脑机接口另外一个很重要的方面就是人工智能的算法应用。目前几乎所有的脑机接口必须每天对实验任务的进行训练，然后才能在当天使用。 这样的特点使得目前所有的脑机接口技术在现实生活中很难得到实际的应用。这也是脑机接口走出实验室又一大的瓶颈之一。

上述所有的问题都不是简单能解决的问题，而是需要工程学，材料学，计算机科学等基础学科共同发展和突破， 从而推动脑机接口技术能够更向实用化方向迈进一步。 所以像美国国防部下属的研究所（DARPA）每年掷重金投入基础脑机接口技术的研究，比如开发一种新的神经接口电极，能够让人类同时记录100万个神经元活动。我们也看到了除了各大研究所和大学，也有像硅谷Paradromics , Neuralink这样的公司在努力开发下一代神经接口技术. 我们希望社会各界都能够更多的支持基础神经学，工程学，计算机科学的研究, 从而使得脑机接口这样的技术早日成熟, 造福人类。