科幻正成為現(xiàn)實(shí)，腦機(jī)接口離我們還有多遠(yuǎn)

科幻電影《機(jī)械戰(zhàn)警》中，主人公墨菲遭遇事故，只剩下大腦和部分軀干，科學(xué)家為其打造完整的機(jī)械骨骼，墨菲通過(guò)大腦控制鋼鐵身軀，成為機(jī)械戰(zhàn)警。

電影《環(huán)太平洋》中，人類能夠通過(guò)腦神經(jīng)連接操作機(jī)甲與怪獸搏斗，掀起了一輪機(jī)甲狂潮。

人類一直在幻想著有一天大腦能直接控制機(jī)械，取代肉體的缺陷。如果現(xiàn)在有人告訴你，這即將成為現(xiàn)實(shí)，是不是覺(jué)得很瘋狂？事實(shí)上，這一天已經(jīng)到來(lái)，這種技術(shù)就是本文要講的腦機(jī)接口。

什么是腦機(jī)接口

腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）通過(guò)解碼人類思維活動(dòng)過(guò)程中的腦神經(jīng)活動(dòng)信息，構(gòu)建大腦與外部世界的直接信息傳輸通路，在神經(jīng)假體、神經(jīng)反饋訓(xùn)練、腦狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

簡(jiǎn)單說(shuō)，就是實(shí)現(xiàn)用意念控制機(jī)器。這意味著人與機(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(yǔ)音交互之外，還可以直接通過(guò)大腦向機(jī)器發(fā)指令。

目前的腦機(jī)接口技術(shù)可以分為兩類，一類是侵入式，比如在大腦中植入芯片，還有一類為非侵入式，比如戴上可以采集腦電波的頭盔或帽子。

2014年巴西世界杯開(kāi)幕式，一名腰部以下癱瘓的少年，通過(guò)BCI控制的機(jī)器外骨骼從輪椅上站起來(lái)，向前邁出幾步，踢出了世界杯的第一腳球。

目前正在應(yīng)用的腦機(jī)接口工具

?功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，F(xiàn)MRI）

規(guī)模：大（能夠顯示整個(gè)大腦的信息）

分辨率：空間分辨率為中低，時(shí)間分辨率為極低

侵入性：非侵入性

FMRI 不是傳統(tǒng)的腦機(jī)接口工具，但它是一種典型的記錄工具——它能告訴你大腦內(nèi)部的情況。

FMRI 能夠掃描整個(gè)大腦，生成三維模型。

FMRI 的主要缺點(diǎn)在于分辨率，它掃描生成的圖像確實(shí)會(huì)有一個(gè)分辨率，正如電腦屏幕上會(huì)有像素一樣，只不過(guò)它的像素是三維立體的——也就是所謂的「體素」（voxel）；

其次是在于時(shí)間分辨率。FMRI 所追蹤的血流量并不精確，而且會(huì)有大約一秒鐘的延遲。

?腦電圖（Electroencephalography，EEG）

規(guī)模：大

分辨率：空間性分辨率極低，時(shí)間分辨率中高

侵入性：非侵入性

腦電圖已經(jīng)擁有接近一個(gè)世紀(jì)的歷史，這種技術(shù)就是在腦袋上貼一堆電極：

一種完全非侵入性的腦機(jī)接口工具，腦電圖可以記錄下大腦中不同區(qū)域的電流活動(dòng)，然后生成這樣的結(jié)果：

?皮質(zhì)電圖（Electrocorticography，ECoG）

規(guī)模：大

分辨率：空間分辨率低，時(shí)間分辨率高

侵入性：部分侵入性

皮質(zhì)電圖的原理跟腦電圖類似，同樣都會(huì)采用電極——只是這種技術(shù)會(huì)將電極放在顱骨下面，也就是大腦表面。

雖然有點(diǎn)可怕，但很有效，至少比腦電圖的效果好多了。沒(méi)有了顱骨的干擾，皮質(zhì)電圖能夠獲取更高空間分辨率（1 厘米左右）和時(shí)間分辨率（5 毫秒）的信息。

?局部場(chǎng)電位（Local Field Potential，LFP）

規(guī)模：小

分辨率：空間分辨率中低，時(shí)間分辨率高

侵入性：高侵入性

介入腦部的微電極，直徑在 10 到 30 微米之間。局部場(chǎng)電位領(lǐng)域的一項(xiàng)最新發(fā)展是多電極陣列（multielectrode array），它的原理和局部場(chǎng)電位一樣，只是它會(huì)同時(shí)在皮質(zhì)的某個(gè)區(qū)域同時(shí)插上 100 個(gè)微電極，如下圖在4毫米x4毫米的小方塊上有100個(gè)細(xì)小的硅電極，最尖端只有幾微米：

?單細(xì)胞記錄（Single-Unit Recording）

規(guī)模：極小

分辨率：極高

侵入性：高侵入性

單細(xì)胞記錄也是采用微電極，但是這種電極的尖端會(huì)變得異常細(xì)小，因此它的電阻也會(huì)大大提高。這種方式可以屏蔽掉大多數(shù)的噪音，但也會(huì)導(dǎo)致電極幾乎探測(cè)不到任何東西——除非在它特別靠近一個(gè)神經(jīng)元的時(shí)候（也許距離 50 微米），神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度足以穿過(guò)電極的電阻。

由于這種方式可以探測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的獨(dú)特信號(hào)，而且沒(méi)有背景噪音的干擾，所以現(xiàn)在我們就可以監(jiān)視單個(gè)神經(jīng)元的個(gè)體活動(dòng)。這種方式的記錄規(guī)模最小，分辨率最高。

另外還有一種電極可以更近距離地探測(cè)神經(jīng)元，它們采用的是一種叫做膜片鉗（patch clamp）的技術(shù)，這種電極的頂端會(huì)被移除，剩下一根細(xì)小的玻璃吸管（作者注：它的直徑只有人類頭發(fā)的 1/100），它可以將神經(jīng)元細(xì)胞膜的一部分吸進(jìn)玻璃管內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量：

最后一種電極會(huì)真正刺穿細(xì)胞膜，并完全進(jìn)入神經(jīng)元內(nèi)部，這種方法叫做尖銳電極記錄（sharp electrode recording）。如果電極頂端足夠尖銳就不會(huì)破壞神經(jīng)元細(xì)胞——因?yàn)榧?xì)胞膜會(huì)在電極周圍閉合。

這種方式可以輕易刺激神經(jīng)元，或者記錄神經(jīng)元內(nèi)外的電壓差。但是這種技術(shù)對(duì)神經(jīng)元的干預(yù)時(shí)間不長(zhǎng)——因?yàn)楸淮檀┑纳窠?jīng)元無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間存活。

風(fēng)口上的腦機(jī)接口（BCI）

隨著B(niǎo)CI技術(shù)的成熟，眾多“頭號(hào)玩家”爭(zhēng)相進(jìn)入BCI領(lǐng)域：

?Neuralink

你可能知道，“硅谷鋼鐵俠”馬斯克用Tesla推動(dòng)了電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，用SpaceX加快了太空探索的步伐，但你可能還不知道他創(chuàng)辦了腦機(jī)接口公司Neuralink來(lái)改造人類自身。人工智能時(shí)代以降，為了對(duì)抗強(qiáng)人工智能不可控的風(fēng)險(xiǎn)，馬斯克正努力促進(jìn)人機(jī)融合，將人類自身打造成人工智能，這或許是人類物種能夠延續(xù)的最終路徑。

馬斯克說(shuō)，“我認(rèn)為，人們不喜歡的一個(gè)事實(shí)是，自己已經(jīng)成為一個(gè)半機(jī)械人。與20年甚至10年前相比，人已經(jīng)不是同一種生物，比如，許多人已經(jīng)一刻也離不開(kāi)手機(jī)。我認(rèn)為，人在某種程度上已經(jīng)與手機(jī)、筆記本、應(yīng)用等融合在一起?！盢euralink的目標(biāo)是全腦腦機(jī)接口，能夠與大腦的任何區(qū)域傳輸神經(jīng)信號(hào)，它將成為綜合的“數(shù)字化第三皮層”，人類將成為半機(jī)械人

?Facebook

2017年，F(xiàn)acebook在F8開(kāi)發(fā)者大會(huì)上揭曉了神秘的部門(mén)Building8，并發(fā)布了黑科技“腦機(jī)語(yǔ)音文本界面”，用人話解釋就是：不用動(dòng)手，更不用說(shuō)話，腦中所想會(huì)直接展示在顯示器上。

發(fā)布會(huì)中Facebook展示的一段來(lái)自斯坦福的實(shí)驗(yàn)錄像，實(shí)驗(yàn)對(duì)象通過(guò)腦部植入電極控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)每分鐘8個(gè)英文單詞的輸入速度。

?2018年，中國(guó)電子學(xué)會(huì)近日公布的《新一代人工智能領(lǐng)域十大最具成長(zhǎng)性技術(shù)展望（2018—2019）》里，智能腦機(jī)交互赫然在列

BCI研究瓶頸

腦（Brain）：人類對(duì)腦科學(xué)探索還處于嬰兒期，如何在腦科學(xué)認(rèn)知限制條件下研發(fā)BCI？

機(jī)（Computer）：帶寬瓶頸——如何小兒巧地容納大量信息？

接口（Interface）：如何解決生物相容性問(wèn)題？人的免疫系統(tǒng)排斥本體之外的”入侵”物體，如何讓BCI融入有機(jī)體？

腦機(jī)接口（BCI）：倫理問(wèn)題——試驗(yàn)階段，如果開(kāi)顱，可以做大量生物實(shí)驗(yàn)嗎？推廣階段，如果讀心實(shí)現(xiàn)，隱私何在？

BCI的未來(lái)

那么，問(wèn)題就來(lái)了，什么時(shí)候BCI才能進(jìn)入尋常百姓家？小編無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題。

“我認(rèn)為未來(lái)8至10年，腦機(jī)接口技術(shù)就可以用于普通人。值得指出的是，產(chǎn)品上市銷售時(shí)間受到監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，以及各種疾病患者使用效果的影響。”

——馬斯克如是說(shuō)