當幻想照進現實：新型交互手段腦機介面帶來的希望及引發的擔憂

作為智人，我們正在成為一個將科技與我們的有機身體完全融合的物種。從某種程度上說，這種研究可以追溯回好幾個世紀前，從13世紀末義大利第一次使用眼鏡開始，通過在鼻樑上戴兩個放大鏡來改善視力，我們的身體便開始與科技「糾纏不清」。

但是自從計算機的發明和首個人機界面誕生以來，許多技術專家的夢想一直是在計算機和人腦之間建立直接的聯繫。這些腦-機介面將消除固有的思想身體行動計算機響應之間的滯後翻譯。腦-機介面還允許無法進行人機界面所需的物理動作的人繞過現實世界的步驟，直接用大腦中的電脈衝控制強大的計算機工具。

其中一個夢想是，腦-機介面最終將把人類知識的全部準則置於即時記憶的範圍內:不再需要通過打字或語音命令來搜索互聯網。在不久的將來，我們將能夠思考我們需要什麼，並將任何可以直接從雲中獲得的相關信息植入到我們的腦海中。

腦-機介面之所以有效，是因為我們能夠檢測到我們大腦中神經元之間的信號，這些信號是在連接它們的樹突和軸突之間傳遞的。這些微小的位元是每個神經元上離子所表達的電勢的差異。科學家可以通過植入電極來發現和測量這些信號。

這些信號轉變成數字信息，然後由經過多年艱苦研究和實驗開發的演算法進行翻譯。因此，我們大腦的信號成為機器智能的指揮棒，然後可以用來控制特殊功能的假肢和輪椅，移動游標和點擊顯示器上的按鈕。該軟體還可以被訓練識別代表數字和字母的特定「思想」的信號，從而使那些原本無法書寫的人能夠(在某種程度上)書寫。

什麼是腦-機介面?

看了上述的長篇大論或許你對腦-機介面是什麼還是一頭霧水，下面簡要的解釋下究竟什麼是腦-機介面。

百度百科做出了以下定義：在美國紐約州召開的第一次腦-機介面(BCI)國際會議給出的BCI的定義是:BCI是一種特殊的通訊系統，它不依賴於人體的外圍神經和肌肉組織。該定義反映了BCI的基本原則和特徵，即BCI是完全不依賴於外圍神經和肌肉的新型交互手段，它實現了腦和計算機之間的直接通信。

美國Wadsworth研究中心的Wolpaw等人在其著作《Brain-computer interfaces: principles and practice》中給出了BCI更加嚴格的定義:腦-機介面是一個通過檢測中樞神經系統活動，並將其轉化為人工輸出的系統，它能夠替代、修復、增強、補充或者改善中樞神經系統的正常輸出，從而改變中樞神經系統與內外環境之間的交互作用。

「腦」意指有機生命形式的腦或神經系統，而並非僅僅是「mind」(抽象的心智)。

「機」意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到硅晶元到外部設備和輪椅。

「介面」 = 「用於信息交換的中介物」。

腦-機介面如何採集信息?

腦機介面的信息採集方式通常被分為侵入式、半侵入式、非侵入式(腦外)。

侵入式：此類腦機介面通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信號質量比較高。但其缺點是容易引發免疫反應和愈傷組織(疤)，進而導致信號質量的衰退甚至消失。

部分侵入式：介面一般植入到顱腔內，但是位於灰質外，其空間解析度不如侵入式腦機介面，但是優於非侵入式。其另一優點是引發免疫反應和愈傷組織的幾率較小，主要基於皮層腦電圖進行信息分析。

非侵入式：不進入大腦，像帽子一樣方便佩戴於人體，但由於顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的解析度並不高，很難確定發出信號的腦區或者相關的單個神經元的放電。

腦-機介面的里程碑式突破及發展進程

里程碑式突破

1924年，德國精神病學家Hans Berger發現了腦電圖描記器。

1969年，華盛頓大學醫學院利用猴子進行腦電生物反饋的研究。

1990年代，Nicolelis完成對老鼠運動腦電波的初步研究後，在夜猴內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。

1999年，哈佛大學的Garrett Stanley試圖解碼貓的丘腦外側膝狀體內的神經元放電信息來重建視覺圖像。

2000年後，Donoghue小組實現恆河猴對計算機屏幕上的游標的運動控制來追蹤視覺目標，其中猴子不需要運動肢體。

2009美國南加州大學的Theodore Berger小組研製出能夠模擬海馬體功能的神經晶元。該小組的這種神經晶元植入大鼠腦內，使其稱為第一種高級腦功能假體。

2012年巴西世界盃——機器戰甲，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。

2016年12月，美國明尼蘇達大學的Bin He與他的團隊取得一項重大突破，讓普通人在沒有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。該研究成果有望幫助上百萬的殘疾人和神經性疾病患者。

Bin He與他的團隊的實驗成果

2017年2月，斯坦福大學電氣工程教授KrishnaShenoy和神經外科教授JaimieHenderson發表論文宣布他們成功讓三名受試癱瘓者通過簡單的想像精準地控制電腦屏幕的游標，這三名癱瘓患者成功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。

現階段進展

雖然醫學界的信念是在神經修復術中使用腦-機介面來改善殘疾人的生活， 圍繞這一尖端技術的整個商業生態系統正在不斷發展：

— Kernel從海馬體中捕捉記憶，用AI讀取並「記錄」下來，準確率高達80%。

— 埃隆·馬斯克的Neuralink項目旨在創造大腦和電腦之間的可植入界面。早期的目標將是為大腦和神經系統疾病提供治療，最終的路徑將導致提高大腦的正常功能--增加內存和處理速度，增加內置雲和互聯網接入，擴大我們的感官。

— 一家名為Foc.us的公司正在營銷「腦刺激器」，以提高遊戲玩家的反應速度。

— Neuropace正在研究如何預測、檢測和停止導致癲癇發作的神經元之間發送的信號。

—Mindmaze正在開發一款動作捕捉VR/AR遊戲系統，讓癱瘓的人獲得更全面的體驗。Neurable也在使用類似的技術，讓人們能夠用意念控制玩具和遊戲。

—位於匹茲堡的創業公司Cereve已經獲得FDA的商業許可，可以銷售他們的「睡眠系統」來改善失眠。

— Brainco正在研發一種可穿戴設備，可以幫助教師監控學生在課堂上的注意力集中程度，更好地發現並幫助那些有學習困難的學生。

腦-機介面的應用場景

1. 在醫療康復領域中，幫助(高位)截癱患者恢復取拿物品、喝水等一般自理能力，可以通過兩種方式實現，一是在大腦運動中樞植入晶元，通過探測、記錄、放大、傳輸運動神經元發放的神經衝動，對外接機械臂進行運動控制，第二種方式的差異主要在於實現運動執行的途徑上，不是通過外接機械臂，而是通過在患者脊髓中植入晶元來控制主管肢體運動的脊神經來實現，這種方式被認為是閉環解決和恢復截癱患者運動功能的最佳方案，雖然目前還處於實驗成功尚未臨床應用階段，但前景非常看好。

2. 在教育培訓領域，藉助教學輔助設備，比如服務機器人，通過腦控機器人幫助兒童進行認知訓練。此外主要是對學生注意力值的實時探測，從而幫助老師及時了解課堂情況改變教學方法。

3. 智能家居是腦機介面與IoT(物聯網)跨領域結合的一大想像空間。在這一領域，腦機介面扮演的角色類似於「遙控器」，幫助人們用意念控制開關燈、開關門、開關窗帘等，進一步可以控制家庭服務機器人。

腦-機介面引發的擔憂

隨著腦-機介面的實施，出現了許多道德考慮因素。 幾乎所有重大技術突破中都會帶來進一步社會分劃風險。那些能夠負擔得起腦-機介面的人可以大大改善他們的生活--無論是出於嚴格的醫療原因還是以其他方式提高生活質量。而那些無力負擔的民眾則將無法從中受益，從而進一步激發社會矛盾。

另一個更讓我們擔心的問題是，這項技術本質上是在人類大腦和外部世界之間架起了一座橋樑，而外部世界可能被那些心懷不軌的人所操縱。那些妄想不勞而獲，覬覦竊取我們大腦信息的行動將導致一些真正可怕的結果。如果軟體可以被攻擊，現在大腦是軟體的一部分，我們可能看到自己也成為黑客入侵的目標之一嗎?一種新的計算機病毒能被設計成對人類的身心產生有害影響嗎?

在馬斯克看來，他所擔心的是人類將遭受AI的威脅，我們需要讓腦機介面扮演一種大腦與機器連接的媒介，以保證未來人類能與AI對抗。而在這整個發展道路上，不可忽視的「超強人類」、「半機械人」、「意識上傳實現人類永生」等話題將成為全人類共同需要面對的課題。

每一次新的、極其強大的技術進步，都有可能帶來造福人類的益處，也可能帶來可怕的後果。原子能、衛星、基因工程、人工智慧:腦-機介面也不例外。只有非常聰明的人才能創造出這些偉大的發明，但要監督這些發明，確保人類不受這些發明的威脅，則需要優秀的、存在道德良知的聰明人。

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