腦機介面：打開神經控制的黑箱（下）

【隨著技術的不斷完善和多學科融合的努力，腦機介面必將逐步應用於現實，造福人類】

王偉

腦機介面大事記

雖然聽上去很科幻，但能夠與我們的頭腦直接或間接相連的外部設備，其實早已存在。

1924年，德國精神病學家漢斯·伯格（HansBerger）發現了腦電圖。這一儀器在頭皮處感受人類腦部活動產生的生物電，並放大成可供分辨的腦電信號。從某種意義上來講，當你在接受腦電圖檢測時，你的大腦就已經與這台龐大的機器連接在一起了。廣義上講，這也是一種腦機介面。

到20世紀90年代，美國杜克大學的米格爾·尼科爾利斯（MiguelNicolelis）完成了對老鼠運動腦電波的初步研究後，在夜猴實驗中實現了能夠提取皮層運動神經元的信號來控制機器人手臂的實驗。

2000年後，美國布朗大學的約翰·唐納修（JohnDonoghue）小組實驗表明，恆河猴可通過對計算機屏幕上的游標運動控制來追蹤視覺，而猴子不需要運動肢體。

2009年，美國南加州大學的西奧多·伯格（Theodore Berger）小組研製出能夠模擬大腦海馬區功能的神經晶元，將該晶元植入大鼠腦內，便使其成為一種高級腦功能假體。該小組將這種神經晶元植入大鼠腦內，使其成為第一種高級腦功能假體。

2012年，巴西舉辦足球世界盃比賽，身著機器戰甲的截肢殘疾者，憑藉腦機介面和機械外骨骼開出了一球。

2014年，華盛頓大學的研究員通過網路傳輸腦電信號實現直接腦對腦交流。

2016年12月，美國明尼蘇達大學的賀斌團隊讓普通人在沒有被植入大腦電極的情況下，只憑藉「意念」，在複雜的三維空間內實現物體控制，包括操縱機器臂抓取、放置物體和控制飛行器飛行。

2017年2月，美國斯坦福大學電氣工程教授克里希那·申奧（KrishnaShenoy）和神經外科教授詹米·亨德森（Jaimie Henderson）發表論文，宣布他們成功地讓三名受試癱瘓患者通過簡單的想像精準地控制電腦屏幕的游標，這三名癱瘓患者通過想像在電腦屏幕上輸入了他們想說的話，其中一名患者可以在1分鐘之內平均輸入39個字母。

腦機介面的挑戰

腦機介面是一門複雜的交叉學科，這種交叉學科遇到兩種挑戰：一種是工程上的挑戰，另一種是理論上的挑戰。

理論研究都在努力解決這兩個問題中的一個或兩個：第一，「從腦到機」，如何從大腦中獲取正確的信息？第二，「從機到腦」，如何將正確的信息發送到大腦？

目前來說，「從腦到機」已經取得一些研究成果，相比之下，「從機到腦」的研究要緩慢很多。原因是目前神經科學對於神經編碼的具體方式還處於未知狀態。而由「從機到腦」對神經編碼知識的需求要遠大於「從腦到機」。神經科學在單神經元的研究也算是逐漸明朗了，但大腦的各種神奇之處根本無法解釋。

工程上的難度則在於：腦機介面行業涉及的機械動力學、神經科學、認知科學、信息工程等大量學科，需要大量各個行業的人才，不能有短板。此外，工程上更大的難度還包括成本控制，即能否通過合理的流程和工藝來降低成本實現商業化。

腦機介面的商業化方向

腦機介面未來的主要應用領域將涵蓋醫療、遊戲娛樂、消費電子、商業分析、軍事國防等各個行業。

醫療：主要包括幫助患者與外界交流或控制外部設備的輔助腦機介面，以及幫助患者恢復神經功能的康復腦機介面。

遊戲娛樂：例如，在頭戴式VR設備上安裝腦機介面，與感測器的輸入一起為用戶提供更好的遊戲體驗。

消費電子：機器人、無人機、VR等消費電子產品可將腦機介面，特別是非侵入式腦機介面作為新的人機交互界面。

商業分析：可以幫助營銷人員獲取消費者大腦的定量信號，從而更好地了解客戶需求。

軍事國防：利用腦機介面實現大腦控制的機器人或無人機偵查、重型武器控制、軍人之間的無聲腦電交流等。

未來展望

目前，主流的消費級腦機介面研究主要運用非侵入式的腦電技術，儘管相對侵入式技術容易實現，但成本依然很高。不過，隨著人才、資本的大量湧入，非侵入式腦電技術勢必將向小型化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化發展。

而對於侵入式技術，在未來如果能解決人體排異反應及顱骨向外傳輸信息減損這兩大問題，電腦將會對人的思維意識進行實時準確識別。這一方面將有助於電腦更加了解人類大腦活動特徵，以指導電腦更好地模仿人腦；另一方面可以讓電腦更好地與人協同工作。

腦機介面是連接大腦與現實世界的橋樑之一。2016年，我們已經找到了如何建造這座橋樑的方法。2017年，我們期待腦機介面給我們帶來更多的驚喜。

(作者為中科院上海生命科學研究院研究員)

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