什么是腦機(jī)接口技術(shù)？腦機(jī)接口的原理和分類

原文作者：luffy

今年的5月4日，全球首例非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京取得了成功，該試驗(yàn)在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂，這對(duì)推動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域研究具有重要意義。 那么，究竟什么是腦機(jī)接口技術(shù)呢？它的出現(xiàn)又會(huì)對(duì)我們未來的生活產(chǎn)生怎樣的改變呢？

什么是腦機(jī)接口技術(shù)？

腦機(jī)接口從字面上理解就是，腦（Brain）+機(jī)（Machine）+接口（Interface）=腦機(jī)接口（BMI）。它是指通過在人腦神經(jīng)與具有高生物相容性的外部設(shè)備間建立直接連接通路，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)和外部設(shè)備間信息交互與功能整合的技術(shù)。簡(jiǎn)單來說，就是實(shí)現(xiàn)用意念控制機(jī)器。它意味著，人與機(jī)器的主要交互方式，除了手工輸入，以及近幾年興起的人工智能語音交互之外，還可以直接通過大腦向機(jī)器發(fā)指令。

從上面的描述中我們可以看出，這項(xiàng)技術(shù)可以直接用大腦指揮電腦或者機(jī)器，這與大腦通過身體的運(yùn)動(dòng)或通過語言來表達(dá)思想，進(jìn)而指揮機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不同。它省去了中間的步驟，因此相比其他交互方式，腦機(jī)接口可以更高效、更精確地傳遞和解碼大腦的意圖。最重要的是，對(duì)于一些不能通過肢體輸出信息的人，他們哪怕全身癱瘓，也可以借助這項(xiàng)技術(shù)控制體外機(jī)器，能極大提高生活質(zhì)量。

腦機(jī)接口的原理

根據(jù)高中生物所學(xué)我們知道，我們的大腦是由上千億個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成的，而且每個(gè)神經(jīng)元與幾千個(gè)或上萬個(gè)神經(jīng)元相連接。刺激信號(hào)在神經(jīng)元間傳遞，最終形成神經(jīng)沖動(dòng)。

根據(jù)神經(jīng)科學(xué)研究，在大腦產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)，大腦神經(jīng)系統(tǒng)的電磁活動(dòng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，并會(huì)體現(xiàn)出某種節(jié)律和空間分布的特征。因此，腦機(jī)接口的基本原理包括三個(gè)步驟，即記錄、翻譯和傳達(dá)。首先，要記錄大腦的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)，采用傳感器記錄腦電圖（Electroencephalogram，EEG）、磁共振成像（MagneticResonance Imaging，MRI）和功能性磁共振成像（FunctionalMagnetic Resonance Imaging，fMRI）等信號(hào)。

然后，將這些信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取后，通過計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和標(biāo)識(shí)，最終將這些信息翻譯為可讀的指令信息。最后，通過機(jī)器接口將這些指令為現(xiàn)實(shí)的動(dòng)作和操作。

腦機(jī)接口的分類

腦機(jī)接口可以分為侵入性或非侵入性，這兩種類型可以檢測(cè)不同類型的大腦信號(hào)。

腦機(jī)接口的分類

侵入式腦機(jī)接口是指在大腦中植入電極或芯片。人的大腦中有上千億個(gè)神經(jīng)元，通過植入電極，可以精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)。但這種方式會(huì)對(duì)大腦造成一定的損傷，電極的植入不但會(huì)損傷大腦神經(jīng)元，也會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)。在《黑客帝國》中，現(xiàn)實(shí)世界的人類需要通過插入連接器的方式進(jìn)入到“母體”世界中。這種“腦后插管”的方式便是典型的侵入式腦機(jī)接口。

非侵入式則是將電極外置，像佩戴電極帽等方式，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、容易操作，但由于電極距離神經(jīng)元較遠(yuǎn)，得到的信號(hào)噪聲大，對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理要求就比較高。例如《刀劍神域》、《頭號(hào)玩家》中的游戲頭盔便是非侵入式腦機(jī)接口的典型代表。

腦機(jī)接口的問題與應(yīng)用

除了存在“侵入性”植入物的安全和健康風(fēng)險(xiǎn)外，腦機(jī)接口技術(shù)還存在很多倫理和技術(shù)問題：如果可以在大腦中安裝芯片，有多少人會(huì)同意安裝呢？人們是否能接受“開頭顱、插芯片”，并試圖“篡改”自己的神經(jīng)沖動(dòng)呢？

雖然存在很多困難和風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家還是在積極探索腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。人工耳蝸就是一種腦機(jī)接口，通過向體內(nèi)植入電極，對(duì)耳蝸內(nèi)尚且完好的聽覺神經(jīng)施加脈沖電刺激，就能提升甚至重建聽覺。作為神經(jīng)假體最廣泛的應(yīng)用，截止到2006年世界上已有大約十萬人植入，但它僅僅是腦機(jī)接口技術(shù)的一個(gè)開始。

在可預(yù)見的未來，腦機(jī)接口甚至可以實(shí)現(xiàn)大腦和外部世界的直接互聯(lián)。通過腦機(jī)接口，可以直接用大腦控制家里的智能電器?？梢杂媚X電直接控制電視的打開，空調(diào)的關(guān)閉，甚至不用說出口，你的自動(dòng)駕駛汽車就把你載到目的地了。此外，有了腦機(jī)接口的加持，在未來的虛擬游戲里，我們將更加真實(shí)的參與其中。玩家可以用意念控制游戲中的人物，不僅是行進(jìn)、肢體運(yùn)動(dòng)，甚至交流溝通和界面轉(zhuǎn)化，都在一念之間完成，這就極大提高玩家的操作體驗(yàn)。

編輯：黃飛