脑机接口：“黑科技”的过去、现在和未来
陈永伟/文
5月25日，马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink宣布，经过几个月的交涉，它终于获得了美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，简称FDA）的批准，马上会启动其首个人体实验。这意味着，该公司将脑机接**术商业化的进程会进入加速阶段。
多年前，马斯克就对脑机接**术非常看好，认为它会在改进人机交互体验、帮助人们治疗某些神经**疾病方**有很大的潜力。2016年，他出资成立了Neuralink公司，致力于脑机接**术的研究及其商业化。
当时，马斯克天马行空的想法还总是让人觉得不切实际，用脑机接口来改变世界的想法也就很自然地被人们认为是他吹过的牛皮当中的一个，并没有引起多少反响。
但后来，马斯克用实际行动证明，他是认真的。随后的几年中，Neuralink每隔一段时间就会发布重大的研究成果：2019 年，Neuralink推出了第一个侵入式脑机接口设备，该设备将 1024 根电极线植入到大脑的某块区域，采集大脑活动的电信号，并通过无线传输的方式将信号传导到终端设备；2020年，Neuralink 公布了一款**大小、电池供电的 N1 芯片，并将其植入猪的大脑，成功采集了其大脑的电生理信号；2021年，Neuralink展示了将电极植入猴子的大脑，并让猴子玩“Mind Pong”游戏的录像。可以说，几乎每一次成果的展示都让人感到巨大的震撼。
在进行了大量的动物实验之后，Neuralink希望进一步启动人体实验。去年11月，马斯克就曾向外界透露，已经向FDA方面提交了申请，如果申请在春季得到批准，那么第一次人体实验将在6个月内启动。今年3月，FDA曾以“安全风险过大”为由否决了Neuralink的申请。而现在Neuralink被放行，可以想象，这个行业将会在未来一段时间内迎来巨大的变化。
脑机接**术究竟是什么？它为什么能让马斯克如此痴迷？在这一领域，有哪些技术方案，它们各有什么特点，又都存在着怎样的问题？脑机接口的发展究竟能带来哪些机遇，又存在着哪些问题？关于这些问题，且让我们一一说来。
脑机接口简史
所谓“脑机接口”（Brain-Machine Interface，简称BMI；Brain-Computer Interface，简称BCI），顾名思义，就是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接接口，其目的是用来实现脑与设备的信息交换。这里所谓的“直接”，指的是不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路，实现“脑”和“机”之间的直通。
探索大脑的历程
脑机接**术的灵感是伴随着人类对于大脑功能的探索而产生的。
最初，人们并没有认识大脑的特殊性，更没有认识到其具有思维的功能。例如，古埃及人就认为，大脑这团丑陋的白肉只是“颅骨的填充物”，而亚里士多德则认为大脑其实是血液的**机。
直到公元162年左右，古罗马学者盖伦才开始猜测大脑而非以前所认为的心脏是人类思维的主要**。他指出，大脑会产生一种神秘的“精气”，这种看不见摸不着的东西会周游全身，并控制各个**的行动。在当时人们的眼中，盖伦的观点就是典型的离经叛道。但在数百年后，人类历史进入启蒙时代后，却有越来越多的智者开始接受盖伦的观点，其中典型的代表就包括大哲学家笛卡尔。
后来，随着物理学的发展，人们开始对电有了初步的认识。于是就有人猜测，盖伦所讲的“精气”会不会就是一种生物电呢？对于这个问题，科学家们用实验给出了答案。18世纪末，以伽伐尼、伏打为代表的一批意大利科学家尝试用电去**青蛙，从而控制青蛙的肢体反应。通过这种方法，他们证明了电确实可以扮演盖伦所说的“精气”的角色，对动物的肢体进行控制。不过，生物电究竟是在人体内沿着怎样的路径、通过怎样的方法进行传播依然是一个谜。
19世纪，细胞学说开始普及。借助显微镜等工具，人们开始对生物的细胞结构进行观察。当人们观测到脑部的神经细胞时，却发现了一些不同：在身体的其他地方，细胞都是以细胞膜为边界的离散单位，但大脑中的细胞却似乎都带着一根长长的纤维。这些纤维会延伸到身体的各个部分，并彼此交错，构成一张网络。这就产生了一个问题：这个网络是一个整体，还是由一个个**的细胞构成？
解开这个谜题的是西班牙医学家兼艺术家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）。1888年，他用一种被称为“高尔基染色法”的方法对神经细胞进行了染色，通过对染色后的图形进行观察，他发现神经网络并不是一个整体，而是由一个个神经元细胞组合而成的（注：有意思的是，“高尔基染色法”的发明者卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）却认为神经网络是一个整体。1906年，这位和卡哈尔在观点上截然对立的学者和卡哈尔一起因在神经领域的研究而分享了当年的诺贝尔医学奖）。
不久之后，德国解剖学家威廉·冯·瓦尔德耶（Whilhelm von Waldeyer）总结了卡哈尔以及其他的一些贡献，并正式将神经细胞命名为了“神经元”（neuron）。
现在，借助于更为先进的观察设备，我们已经可以十分清楚地看清楚神经元的结构：每一个神经元都由“胞体”和“胞突”构成。其中，胞突有长有短，长的被称为轴突（axon），短的被称为树突（dendrite）。卡哈尔在观测到了神经元的形状后就曾经猜测，这些“胞突”结构很可能是为神经元之间传递信息的一种结构：其中轴突就好像电报线，来完成不同神经元之间的信息传递，而树突则主要充当***的角色。有了这种结构，生物电，或者“精气”就可以在不同的神经元之间进行传递。虽然在当时，卡哈尔的以上猜测完全是一种基于直觉的判断，但后来的研究证明，他的这些猜想基本是正确的。
具体来说，神经元类似于一个装有液体但却有漏洞的袋子，它的细胞膜由磷脂双分子层构成，可以选择性地让一些离子通过。在自然条件下，神经元存在于水介质当中，其内外的各种离子浓度是不同的，而这种浓度的差异就造成了细胞膜内外电势差的存在。当神经元接收到某个足够强的生物电信号后，钠离子的通道就会被打开，细胞膜外的钠离子就会迅速流入细胞，这时细胞膜点位就会迅速上升，直到上升到一定的程度，钾离子的通道被打开，钾离子流出细胞，细胞膜的电位才会下降。这种膜电位先上升后下降的过程就被称为“锋电位”（spikepotential）。锋电位会首先发生在胞体和轴突的连接点附近，然后随着轴突向其他神经元传播，而其他神经元则可以通过树突来接收这一切。通过这种方法，由神经元组成的网络就扮演起了生物电在人体内的通路的角色，各种**产生的信息以及大脑的各种指令，也就可以沿着这个网络进行传播了。
脑机接口的发展
在对以上原理有了了解后，很多新问题随之出现。首先，既然人体内的信息传递从根本上讲就是生物电沿着神经元构成的网络的传导，那么人们是否可以通过某些方法来测量或者捕捉这些信息呢？其次，人们是否可以用某些方法来代替以上这种信息传导模式，从而找到一套对身体控制的新方法？更进一步的，是否可以找到某种方法，将神经网络和外部的网络相连通，这样一来，人们就可以直接通过思想或意念来控制某些外部的器物了。关于这些问题的探索，就构成了后来脑机接口这个领域的主要探索内容。
关于以上这些议题的最初探索可能可以追溯到1924年汉斯·伯格（HansBerger）关于脑电图（Electroencephalog－raphy，简称EEG）的研究。如前所述，信息在神经网络之间的传递从本质上讲是神经元的锋电位通过神经突触进行的传导，因而从理论上讲，人们通过设备是可以测量出由此产生的电活动的。根据这一点，伯格将银线**了病人的头皮（后来改为用银箔贴在患者头皮），然后将导线连接到了测量仪器。他发现，当病人进行思考活动或者有了某些情绪变化时，仪器上显示的电压就会变化。虽然，由于仪器精度的**，伯格的实验结果并不精确，但他至少证明了脑内信息传导的电本质，并为后来的研究奠定了基础。
在伯格之后，学者们用脑电图进行了很多的研究。其中非常有意思的一个研究（或者更确切的说是表演）来自于美国作曲家阿尔文·卢西尔（AlvinLucier）。1965年，他戴上了一个测量脑电图的头盔，并将头盔和滤波器、放大器和混音板等设备连接，从而构成了一个简单的脑内外连接网络。借助这个网络，卢西尔用自己的脑活动所产生的电流成功地控制了设备，并模拟出了打击乐的效果。现在，人们依然可以在Youtube上看到这段名为《独奏者的音乐》（MusicforSoloPerformer）的表演。
1969年，华盛顿大学的研究员埃伯哈德·费兹（EberhardFetz）在猴子身上做了一个有趣的实验。他将猴子大脑中的一个神经元和一个仪表盘连接到了一起。这样，猴子就可以通过某种思考来触发神经元，从而让仪表盘转动。每当仪表盘转动时，猴子就会得到食物作为奖励。通过几次学习，猴子就学会了这个游戏，并学会了用动脑来控制仪表盘。虽然从表演效果上看，这个猴子实验可能并不如Neuralink所展示的猴子用意念打“MindPong”的**，但其背后的技术原理却是共通的。
随着人们对于脑机接口的探索逐渐增多，其潜在的价值开始越来越多地显露出来，从而其本身成为一个**研究领域的条件也业已成熟。1970年，美国国防高级研究计划局（DARPA）开始组建研究团队，对脑机接口的相关技术进行研究。1973年，加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔（JacquesVidal）发表了一篇名为《论直接的脑机交流》（TowardDirectBrain-ComputerCom－munication）的**，并在其中正式提出了“脑机接口”的概念和定义。由此，脑机接口正式成为了一个**的研究领域。自此之后，各种关于脑机接口的研究就如雨后春笋一样地出现了，其中自然也不乏一些“疯狂”的研究。
在回顾相关研究时，我们难以回避的一个名字是菲尔·肯尼迪（PhilKennedy）。从上世纪70年代，也就是脑机接口这个领域刚刚出现起，肯尼迪就一直致力于相关问题的研究，并为此做出过很多卓越的贡献。比如，上世纪90年代，他就尝试将侵入式脑机接口植入了一位瘫痪病人的大脑，从而让他实现了用意念来打字交流。当时，媒体曾经对其进行过专门的报道，并将其奉为“赛博格之父”（注：赛博格是英文Cy－borg的音译，意味半机器人）。
从很早开始，肯尼迪就在为一个问题而烦恼：为了提升对脑内信号的接收效率，有时科学家们不得不将电极植入脑内。但是，一方面这些电极很容易在体内发生游离，另一方金属制的电极很容易碰伤细胞，最后可能整个黏在疤痕组织上。无论是哪一种情况发生，设备的效率都会受到很大的影响。这意味着，为了维持设备的使用效率，植入芯片的患者可能面临不断的手术。针对这些问题，肯尼迪研究了多年，并在2014年发明了一款“亲神经电极”（Neu－rotrophicelectrode）。从理论上讲，这款电极可以很好地克服旧有电极的问题，因而可以避免多次手术的麻烦。但问题是，在肯尼迪发明了“亲神经电极”后，却因为经费缺乏而无法找人来进行人体实验。
为了验证自己发明的可靠性，当时已经66岁的肯尼迪一不做、二不休，干脆让人锯开了自己的头盖骨，将“亲神经电极”植入了自己的脑内。由于年事已高，所以手术后的肯尼迪甚至短暂地产生了意识和记忆障碍，但幸运的是，后来的实践表明，这次“脑洞大开”的实验是有价值的，“亲神经电极”确实比以往的电极表现出了更好的性状。这意味着，这项疯狂的发明将有可能为大量因病而瘫痪或者有行动障碍的患者带来更好的康复条件。
虽然并不是每一个脑机接口领域的专家都会和肯尼迪一样对自己下得去狠手，但在旁人看来，他们的各种实验也大多可以用疯狂来形容。不过，恰恰是这些看似疯狂的研究，让窥探大脑行为、直接沟通脑和机器的想法逐渐从科幻走入了现实。或许，这就是疯狂的科学家们带给世界的礼物吧。
脑机接口的主要技术
从功能上看，脑机接口设备主要要解决两个问题：一是接收神经元发送的信号，并由此推断出其中包含的信息。根据需要，人们可以对这些信息再编码并进行输出（例如像卢西尔那样*控乐器，或者对机器进行控制）。二是对神经元进行**，从而通过神经元来影响身体某些部位的行动。这两种任务都可以通过不同的方式来实现，而不同方式在实现效率上存在着很大的差异。
目前，人们通常会把脑机接**术按照其是否需要侵入大脑，以及侵入的程度分为非侵入式、侵入式，以及半侵入式三类。
（1）非侵入式技术。非侵入式技术无需通过侵入大脑，只需通过穿戴设备来对大脑信息进行记录、解读，以及对神经元进行**。
前面说到的阿尔文·卢西尔用来控制乐器的脑电图（EEG）设备就是一种早期实验中常用的非侵入设备，它主要依靠贴在头皮的电极来读取神经元的锋电位。这种设备的**也是非常明显的。比如，设备的监测精度较低，因而对和头皮关系不大的电流，以及大脑中电流起源的深度等信息都很难监测。
和脑电图类似的一种非侵入设备是脑磁图（Magnetoencephalography，简称MEG），也是用设备来对神经元内的电活动进行监测。和脑电图不同的是，它监测的主要是电活动带来的磁场变化，而不是电流变化。
另外，除了通过直接监测神经元电活动的仪器外，还有一类非侵入式仪器是通过神经元活动对周围活动产生的影响来推断神经元的活动，其中典型的代表就包括功能性磁共振成像（func－tionalmagneticresonanceimaging，简称fMRI）和功能性近红外成像（func－tionalnearinfrared，简称fNIR）。它们的工作原理都是根据神经元的电活动产生的周边血流量变化来推断神经元本身的活动。相比于直接观测神经元电活动的脑电图和脑磁图，这类设备的空间分辨率更高，但时间分辨率会差一些，也就是说它们可以更为清晰地刻画脑部各区域的活动状况，但在记录的时间精度上要略微逊色一些。
再看负责**神经元的非侵入设备。目前，比较常用的设备包括经颅磁**（TranscranialMagneticStimula－tion，简称TMS）和经颅超声（Transcra－nialDopplerUltrasound，简称TCD）。其中前者是通过磁场来**神经元，后者则是借助于***。这两种设备都可以在不开颅的状况下，对脑内的神经元直接进行**，从而达到干预其行为的效果。（2）侵入式技术。所谓侵入式技术，就是指通过手术等方式直接将电极（可以是单细胞电极，也可以是多电极阵列）植入到大脑皮层，以此来观察和控制神经元活动的技术。
从观察神经元活动的原理看，这一类技术其实是和脑电图类似的，都是通过测量锋电位来达到这一目的。所不同的是，侵入式技术可以避开颅骨和脑皮层的干扰，因而在对信息的获取上要远为精确。反过来，用侵入大脑的电极来对神经元进行**的做法也是更为直接的，它可以比非侵入式方法产生更为明显的效果。
当然，侵入式技术的代价也是明显的：通过开颅植入电极具有巨大的风险，而且由于异物侵入，还可能会引发免疫反应和疤痕组织，从而导致电极信号质量衰退甚至消失。虽然经过菲尔·肯尼迪等一批科学家的努力，人们已经在这些问题上取得了较大的突破，但从总体上看，侵入式技术的风险和成本依然是不可忽略的。（3）半侵入式技术。所谓半侵入式技术，即将脑机接口设备植入颅腔，但放在大脑之外。目前，比较有代表性的一类半侵入式技术是皮质脑电图（Elec－trocorticography，简称ECoG）。这种技术通过开颅手术将电极放置到大脑表面，一般来说，电极的材质会有较大的柔性，因而不会对大脑的正常活动产生更多的干扰。借助于这些植入的电极，人们就可以对神经元活动进行观测和干预。
相比于侵入式技术和非侵入式技术，半侵入式技术是一个折中：一方面，相比于非侵入性技术，它可以避免颅骨带来的干扰，因而在性能上更佳；另一方面，它也能比侵入性技术对大脑造成更小的损伤。
通过以上分析，我们可以看到，侵入式和非侵入式脑机接**术各有其利弊。人们在选择使用何种技术时，必须在设备的性能和安全性之间进行权衡。现在不同的企业和机构正在根据自己的需要选择不同的技术路径。
比如，Neuralink选择的是一种侵入式的路径，他们尝试的是把芯片植入脑内，其能力已经有目共睹，不过，到目前为止，其安全性依然存疑。尽管从Neuralink官方给出的资料看，完成芯片植入的整个手术过程只需要短短的十五分钟，且对于植入者的创伤极小。但是，究竟其在开颅手术后的安全性究竟如何，依然是不确定的。据报道，在接受了Neuralink芯片植入的23只猴子中，已经有15只死亡。如果这个数字属实，那么人们似乎很难相信这种芯片的植入是已经安全的。
相比于Neuralink，脸书等其他企业出于安全考虑，更多地采用了非侵入性的路径，试图通过头盔、腕表等穿戴式设备来实现脑机对接。刚刚上市的苹果VisionPro中也有非侵入脑机接口设备。应该说，现在这一路径取得的成绩也是显著的。比如，不久前由脸书赞助的加州大学旧金山分校团队就用非侵入式脑机接口实现了从脑活动读取内容，并转化为文本的实验，从而让“意念打字”成为了现实。由这个例子可以看到，尽管理论上非侵入式技术在工作效率上要低于侵入式技术，但随着技术的发展，其前途依然是十分巨大的。
脑机接口的应用场景
是什么原因让脑机接**术有如此的魅力，让马斯克、扎克伯格等业界大佬都决心在这个领域投入大量的资源呢？其主要原因还是其巨大的潜在应用场景。具体来说，如下几个方面的应用场景是十分值得期待的——
第一个场景是帮助残障人士以及行为障碍者进行康复。在现实中，有大量的人具有各种各样的残疾，或因中风、癫痫等疾病而行动不便。针对这一部分人，脑机接**术可以帮助他们更好地控制身体或者义肢，从而达到帮助他们康复的目的。
事实上，在实践当中，人们很早就将脑机接**术用于这一用途。比如，帮助听障人士恢复听力的人工耳蜗其实就是一种非常成熟和普及的脑机接口设备，只不过由于它过于常见，所以常常不被人们和具有科幻色彩的脑机接口联系在一起。很多时候，人们的听力障碍其实是大脑听觉区域与耳朵相连的神经通路出现了问题，而人工耳蜗就是一个外接机器，它能将接收到的外界声音转为电信号，并将它进行转换后传导到大脑听觉神经。这样一来，脑、耳之间损坏的神经通路就得到了恢复，患者的听力也就可以恢复正常了。
当然，现在脑机接口的应用已经远远超出了人工耳蜗的程度。科学家们正在致力于将其应用在渐冻症、高位截瘫、失语症等严重的运动感知功能受损疾病，尝试帮助这些患者恢复健康。
以渐冻症为例，这是一种慢性、进行性神经**变性疾病。患上这种疾病的人会逐渐出现肌肉和骨骼无力、肌肉萎缩等症状，最终失去行动能力。需要指出的是，和阿尔茨海默病不同，很多该病的晚期患者都可以保持清醒。比如，我们熟悉的科学家霍金就是这种疾病的患者，尽管他有十分天才的大脑，但无情的疾病最终却让这颗大脑无奈地被囚禁在一具无法行动的身躯上，让其智慧无从施展，这对于世界来说不得不说是一种遗憾。到现在为止，人们依然没有找到治疗渐冻症的有效方法，这就意味着我们只能眼睁睁看着患者逐步被“冻住”。幸运的是，随着脑机接**术的发展，人们似乎在传统治疗方法之外，找到了另一条攻克渐冻症的道路。
去年6月，一家名为Synchron的脑机接口公司（这家公司被业界认为是Neuralink的最大竞争对手）在美国纽约的西奈山医疗中心为一位渐冻症患者进行了一项手术。Synchron的研究人员采取了一种半侵入式的技术，先在病人的脖子上开一个微型创口，通过颈静脉导管，将网状植入物输入到大脑皮层的血管中。当导管被移除时，这个网状植入物就会打开并与血管的外边缘融合。然后，研究人员将电极与植入患者胸腔的计算设备连接起来。当神经元在大脑中工作时，电极会读取这些信号，而计算设备会将这些信号放大，并通过蓝牙发送给计算机或智能手机。这样，渐冻症的患者就可以将自己的思维传达给其他人，从而实现与他人的交流。如果这个思路是被证明行之有效的，那么在未来，人们将可以进一步运用脑机接口，用思维直接驱动外骨骼等辅助设备，肌肉萎缩的渐冻症患者就有机会重新站起来。
第二个场景是实施“人类增强”（HumanIntelligence，HI）。借助于脑机接口，人们可以更为容易地*控外骨骼、***等设备。这样，人们就可以实现感官和力量的增强，成为影视剧中刻画的超人。
第三个场景是教育。借助于脑机接口，老师可以更好地对学生注意力值状况做到实时了解，并据此调整教学策略。现在，市场上已经有不少初创企业盯准了这一应用领域。
第四个应用场景是娱乐。例如，在VR游戏当中，人们可以借助脑机接口，在不借助其他外部设备的情况下更好地对游戏角色进行*控。这样，就可以更好地提升游戏的沉浸性，让玩家获得更好的体验感。
第五个应用场景是军事。在这个领域，脑机接口的应用空间是十分巨大的。脑机接**术可以帮助军人更好地*控各种设备，不仅可以让他们避免很多不必要的危险，还可以让他们的作战能力得到有效提升。
脑机接口的发展障碍
需要指出的是，虽然脑机接口的技术已经取得了很大的进展，并且具有十分广阔的想象空间，但是距离真正的大规模商用，它可能还需要跨越很多的障碍。
在这些障碍中，有一些是技术性的。比如，被认为可以更好传输信息、实现脑机沟通的侵入式设备通常需要开颅植入。在这个过程中，手术的安全性、术后的后遗症，以及设备维护等，都存在着不小的问题。因此，如果Neuralink等公司想让人们可以放心地使用类似的产品，还需要对技术进行很多改进。
除了技术障碍外，更大的障碍来自于伦理方面。
第一是隐私问题。借助于脑机接口，研究人员可以从神经元的活动来直接解读佩戴设备人员的所思所想，自然也就有机会去窥探他们的各种隐私。如何才能保证人们在使用脑机接口时，不被任意窥探隐私，会是一个十分现实的问题。
第二是精神控制问题。通过脑机接**术，人们不仅可以窥探他人的思想，更可以直接对他人的思想和行为进行干预，甚至还可能篡改人们的记忆。如果使用不当，这一技术将会成为可怕的思想控制工具。如何预防这一情况的出现，也是一个亟待解决的问题。
第三是不平等问题。从理论上讲，借助于脑机接**术，人可以对某些**的能力实现增强。因此，富有的人就可能花钱来对自己的能力进行强化，从而让自己成为一个能力不同于常人的超人。这样一来，财富上的不平等就会进一步转化为生理上的不平等。
综上所述，如果要实现脑机接**术的大规模商用，除了克服技术上的障碍之外，找到以上这些伦理问题的**之策也是一个必要的前提。
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