利用脑机接口控制机械手流程示意图
脑机接口系统示意图
像科幻电影《攻壳机动队》展示的那样，给大脑造一个网络接口？在科学家的努力下，这一幻想正迈进现实。
近日，美国斯坦福大学电气工程教授Krishna Shenoy和神经外科教授Jaimie Henderson成功实现了世界上首次通过脑机接口完成的快速精准字符输入：他们让三名受试瘫痪者，通过简单的想象精准地控制电脑屏幕光标，在电脑屏幕上输入了心中想说的话，其中一人甚至可以在1分钟之内平均输入39个字母，约合8个单词。这一成果近期发表在开源期刊《eLife》上。
这项新突破让研究者们振奋：将实现“终极交互”的脑机接口，不仅会改写生命定义，更将重塑生命体验。
1 “翻译”脑电波
过去的数十年里，计算机科学和脑科学研究都取得了令人瞩目的巨大进展。
计算机网络已经彻底改变了人类的生产生活方式，那么，作为更为复杂和精密的神经网络，人脑能否突破“单机版”，接入计算机网络？
科学家以行动回答了这个问题，在交叉研究中，一项新的技术——脑机接口，使得两个看来相差甚远、毫无关联的研究方向产生了交集。脑机接口，是一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统，它通过采集和分析大脑生物电信号，在大脑与计算机或其他电子设备之间建立起直接交流和控制的通道。
“脑机接口可以让人的大脑跨越肌体而直接作用电子设备产生动作。”河北省科学院应用数学研究所副研究员王志强博士向记者介绍，“这项技术研究的核心就是调整人脑和脑机接口系统之间的相互适应关系，寻找出合适的信号处理与转换算法，实时、快速、准确地把脑电信号转换成可以被计算机或其他电子设备识别输出控制的信号或命令。”
听上去简单，做起来却很难。很难想象，脑机接口的概念在1973年就出现了，它是由美国加州大学洛杉矶分校的J·J·Vidal在其论文中提出的。然而，受限于信号处理理论与方法、生物信号采集放大硬件技术、计算机性能等因素，直到20世纪末这项技术才真正开始快速发展，到今天，脑机接口在操控机器或机械手臂等方面已取得了不小进展，但是，想要精准操作手机和平板电脑等智能设备，却还有较大困难。
“Shenoy和Henderson教授的这次试验所取得的最大突破，恰恰在于他们首次通过脑机接口实现了快速精准的字符输入。”王志强说，“这很难，毕竟人的大脑是一个高度复杂的信息处理系统，它由数十亿的神经元通过相互连接来进行信息交流，以整体协调方式来完成各种各样的认知任务。而神经元的活动又因人而异，在各种脑电信号的叠加下，电子设备转化脑部编码的难度就更高。”
据了解，实验中被实验者在大脑皮质内植入了新一代的脑机接口芯片——一个只有六分之一英寸大小的硅芯片，看上去只有小药片大小。在这个芯片的表面，密布着100个电极，这些电极浅浅地插入需要监测的大脑皮层，从而监测着神经细胞的脑电信号。配合这个设备，科学家还设计了一套解码脑神经细胞发射出来的复杂脑电信号的算法，通过这套算法，研究人员可以通过监测神经细胞激活状态，确定人体想要完成的动作。随着被实验者盯着屏幕上的光标看，光标每点击一次，他们就在脑子里想象这是自己动手点击的，这样脑机接口中的芯片就可以捕捉大脑的神经活动，进而捕捉每个动作对应的神经信号。
“在人类进化过程中，科学家发现，大脑在进行思维活动、产生意识或受到外界的刺激时，伴随其神经系统运行的会有一系列电活动，从而产生脑电信号。”王志强说，人在兴奋、紧张、昏迷等不同状态之下，脑电波的频率会有明显的不同，因此脑电波活动具有一定的规律性特征，并和大脑的意识存在某种程度的对应关系。
“脑机接口通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电信号，经过放大、滤波等方法，将其转化为可以被计算机等电子设备识别的信号，从中辨别人的真实意图，进而转化为相应的操作动作。”王志强介绍，“通俗点说，人脑想执行某个操作，不需要通过肢体动作，通过脑机接口，即可让外部设备读懂大脑神经信号，并将思维活动转换为指令信号，来实现对计算机或其他电子设备的控制。”
2 开启颠覆式应用
伴随脑科学和信息科学的进步，脑机接口领域取得了越来越多突破性的研究进展并逐步向实用化迈进。
脑机接口，将使诸多颠覆式应用成为可能。
通过脑机接口能使有运动残障以及情态、行为和思维障碍的人得到治疗，享有生活质量较高的生活。中国社会科学院哲学研究所研究员邱仁宗表示，最近10年科学家在发展解码脑神经活动的算法方面取得了重大进展，可以成功地将脑神经信号转换为输出：一个四肢瘫痪的人可利用脑机接口技术操作假肢或轮椅；一个说话极端困难的人可使用这种技术通过计算机模拟的声音来与他人进行交流……
脑机接口技术的使用，并未仅仅局限于医疗领域。
美国国防部曾向外界披露了一项“阿凡达”研究项目，计划在未来实现通过脑机接口操控武器装备，利用意念远程操控“机器战士”，代替士兵在战场上作战，执行作战任务。而在交通领域中，脑机接口可用来实现无人驾驶等技术，通过远程发送脑电控制信号来驾驶汽车、飞机、火车等交通工具，不但可以准确无误地驾驶飞行，还可以避免交通事故的发生并降低伤亡率。
日常生活中，脑机接口技术在游戏娱乐、智能家居、实时监控等方面都有着很大的应用空间。有科学研究小组研究了一款脑电游戏系统，用户可以用它来玩愤怒的小鸟和魔兽世界。
据了解，我国的脑机接口研究起步虽然较晚，但也取得了一批成果。2010年我国国家自然科学基金委员会“视听觉信息的认知计算”重大研究计划就资助了“首届中国脑机接口比赛”。浙江大学的科学家几年前就宣布他们运用信息和通讯技术成功提取并破译了猴子大脑发出的抓、勾、握、捏四种手部动作的神经信号。
脑科学具有的广阔应用前景，引来各方力量“抢滩”。近日，Facebook创始人马克·扎克伯格向外界确认该公司正在开发脑机接口，并表示用户在未来的某一天将可通过其与机器交流，同时称将很快公开更多细节。
3 “终极交互”尚需时日
在科学家的心中，理想状态下的脑机交互需要的是一种“共同适应”的双向脑机接口，即电子元件和大脑共同学习，并在学习过程中同大脑不断进行交流反馈。
理想很丰满，现实却很骨感。
“目前最复杂的双向脑机接口，也仅仅能做到记录并刺激神经系统，但也就仅限于此了。”厦门大学智能科学与技术系教授周昌乐表示，目前的脑机接口技术主要是针对一些初级认知活动，如运动、视觉等开展研究工作，较少涉及如记忆、思维、想象等高级认知活动。
为何这项技术仍然更多停留在实验室研究层面？
“最大的难题在于脑电信号的数据获取，大脑在工作时功耗很小，所以发出的信号十分微弱而难以捕获，这会导致数据获取不准确和不完全。”王志强认为，“正因如此，通过脑机接口产生的动作和健康人的动作相比，要慢很多，其精确度和复杂程度也会大打折扣。而且，此类设备的稳定性极易受环境中电磁噪声、使用者心理状态的影响，离开实验室就无法稳定工作。”
此外，研究障碍还存在于设备对脑电信号数据的处理中。“神经元是通过电信号和化学信号之间的复杂作用而彼此联系的，但人类目前还无法记录数以百万计的大脑神经元活动，更无法解码复杂的决策流程，想从中辨识出准确的信息是非常困难的。”王志强介绍说，“而且脑活动信息中噪音成分和有效成分常常混杂在一起，在数据处理中如何保证信息精准度，怎样正确读懂大脑的真实意图，仍需进一步研究。打比方说，就像在很远的地方用听筒来辨别一栋大楼里某人的声音，但同时说话的人却有很多，这时想分辨出这个声音，难度就可想而知了。”
最后，还有材料的问题。大脑组织柔软而充满韧性，而大多数导电材料一般非常坚硬，这意味着，植入电子设备经常会导致身体出现排异反应，从而使得植入的电子设备随时间迁移而钝化。
“脑机接口技术的实用需要在神经科学、心理学、计算机科学、生物医学工程、临床医学等多个学科的高度发展下才能完成，但各个学科内部都面临着自身的难题。”周昌乐认为，即便以上的问题都能得以解决，脑机接口技术也还要继续攻克对如理由、目的、价值等高级日常心理解释的反馈，才能帮助人类实现更完美的脑机交互。
挑战不止于此，脑机接口技术的发展也引发着争议。德国鲁尔大学哲学研究所终身教授汉斯·马丁塞斯就曾提出伦理方面的质疑：追求完美固然是人类的美好愿望，但通过技术去改变一个人是否是合理的？增强到什么程度是合适的？尤其当人类对大脑的结构功能、情感和道德之间的关系尚缺乏准确的科学理解的情况下。
此外也有学者担忧，通过脑机接口最后完成的操作，不是脑部思维的神经活动直接作用运动神经的结果，而是经过算法的转换引发的动作，如果有负面后果，引起责任应该归谁。
尽管面临许多问题，科学家对脑机接口技术的未来仍感到乐观。专家普遍认为，突破人脑与机器壁垒的大门正在缓缓开启，前路漫漫，但充满希望。（记者吴韬）
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