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隨著“科技狂魔”馬斯克的Neuralink 團隊不斷公布驚人的項目進(jìn)展，公眾對腦機接口（brain-computer interface, BCI）的熱情再度高漲起來。這一游走在科幻與現(xiàn)實交界區(qū)的技術(shù)，承載了太多的期望和誤解。在紛繁熱烈的議論與科幻演繹中，它的真面目卻被徹底神隱了。

然而，真正決定歷史與命運的力量，永遠(yuǎn)是潛藏在表面話語之下的真實。

要了解真正的腦機接口，就要先了解大腦。

我們的大腦，由大約860億神經(jīng)細(xì)胞組成。在這其中，大約有十分之一的細(xì)胞，是負(fù)責(zé)加工信息、承載思維活動的神經(jīng)元（neuron）。這些造型“張牙舞爪”的神經(jīng)細(xì)胞，會從胞體伸出細(xì)長的樹突（信息輸入）與軸突（信息輸出），與其他神經(jīng)元形成上百甚至上千個名為突觸（synapse）的信息交流接點，在腦中搭建起一張超級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)神經(jīng)元從突觸接受的興奮性刺激積累到突破反應(yīng)閾值的水平時，就會爆發(fā)出脈沖尖峰極其高聳的“動作電位（action potential）”，并沿著軸突飛速向下游傳輸，最終通過末梢的突觸結(jié)構(gòu)，將信息傳遞給其他神經(jīng)元。有時候，一些神經(jīng)元即便不接受外部輸入，也會有自發(fā)的放電，持續(xù)對其他神經(jīng)元施加調(diào)控信號。

對于單個神經(jīng)元而言，這幾乎就是它們僅有的信息加工能力。不過，正如單個的石頭組合在一起就能建成壯美的殿堂一般，當(dāng)這些神經(jīng)元以龐大的規(guī)模構(gòu)建起極為復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，名為“知覺”甚至“意識”的奇妙存在，就會從認(rèn)知功能的深淵中涌現(xiàn)而出。

因此，如果能想辦法讀取這些神經(jīng)元的電信號，那么我們就能在幽邃的“腦?！敝?，窺探到“靈魂”潛龍的一鱗半爪。這門專注于通過解讀神經(jīng)元電信號來理解大腦功能的學(xué)科，便是神經(jīng)電生理學(xué)（electrophysiology）。

迄今為止，研究者獲取高質(zhì)量神經(jīng)元電信號的主要手段，依然是將包有絕緣涂層的金屬電極植入實驗動物的大腦之中，用電極尖端暴露的金屬位點記錄臨近的神經(jīng)元活動。

隨著電極制造工藝的成熟，在二十世紀(jì)60年代興起的電生理研究熱潮中，研究者們發(fā)現(xiàn)，很多神經(jīng)元的活動狀態(tài)與特定的感官刺激輸入或者行為動作輸出高度相關(guān)。比如說，在位于后腦勺的初級視覺皮層內(nèi)，負(fù)責(zé)對雙眼輸入的視覺信息進(jìn)行第一手加工的神經(jīng)元，就往往只會對出現(xiàn)在視野中特定位置的特定視覺特征（比如角度或者顏色）起反應(yīng)。在其他的感覺皮層與運動皮層中，研究者們也都觀察到了類似的現(xiàn)象。

依靠這種輸入/輸出信息與神經(jīng)元之間客觀存在的投射對應(yīng)關(guān)系，研究者們逐漸畫出了大腦皮層詳細(xì)的功能地形圖。

這就是腦機接口技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

隨著電生理研究的狂飆突進(jìn)，在上個世紀(jì)70年代，一向以“黑科技”著稱的美國國防部先進(jìn)研究項目局（DARPA）啟動了一個項目，希望通過對腦電圖（electroencephalogram, EEG）的信號分析，解讀出人腦思維活動的特征性信號，并將其輸出為控制電子設(shè)備的數(shù)字化指令，實現(xiàn)作戰(zhàn)人員通過腦電信號直接操縱軍用裝備的“人機合一”設(shè)想。

腦機接口演示 | Flickr, Anders Sandberg / CC BY 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)

這個如今看來過于樂觀的項目，便是腦機接口技術(shù)的起點。

從概念上看，腦機接口是一個通過電生理學(xué)技術(shù)采集神經(jīng)元電信號、再經(jīng)過計算機處理分析、最終向設(shè)備終端輸出程序指令的系統(tǒng)。但相比于理想中的概念設(shè)計，在實際的科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展中，一個又一個具體的問題出現(xiàn)在了前進(jìn)的道路上。

首先，需要想辦法從腦子里盡可能多地采集神經(jīng)信號作為原始數(shù)據(jù)。

僅憑單根金屬電極，研究者在運氣最好的情況下，也只能同時記錄到屈指可數(shù)的幾個神經(jīng)元。于是，簡單粗暴但有效的“排槍戰(zhàn)術(shù)”便應(yīng)運而生。通過將大量電極集成、并聯(lián)為陣列甚至芯片，人類從技術(shù)層面大大增加了能同時記錄的神經(jīng)元數(shù)量。馬斯克團隊研發(fā)的新一代植入式神經(jīng)芯片，已經(jīng)可以在方寸之間集成布設(shè)上千個記錄位點。而他們同步研發(fā)的柔性電極與酷似縫紉機的專用手術(shù)機器人，則可以將大量記錄位點快速、精確、個性定制化地部署于大腦的各個區(qū)域。雖然相對大腦無比龐雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，這些神經(jīng)元的信號依然只是滄海一粟，但是對于腦機接口來說，卻足已操縱一些設(shè)備了。

當(dāng)然，若要獲取這樣近距離收錄的“超清無損”神經(jīng)元信號，就需要將電極長期埋置于大腦之中，和神經(jīng)元保持物理層面的近距離接觸。這種操作對于實驗動物來說倒也罷了，但如果用在人類身上，就有著無法回避的手術(shù)與感染風(fēng)險。因此，這種侵入式腦機接口目前只能用于改善個別重度癱瘓患者的生活狀態(tài)，為這些身體活動不便的使用者釋放出那只被潛水鐘囚禁的蝴蝶。

侵入式腦機接口目前只能用于改善個別重度癱瘓患者的生活狀態(tài) | Pixabay

此外，盡管我們都想實現(xiàn)電影中隨心所欲操縱機械的夢想，但科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從來都沒有捷徑。目前的植入式腦機接口，在把電極陣列插到腦子里之后，還需要被試者與分析程序共同進(jìn)行長期的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，如此才能使大腦順利輸出極為有限的數(shù)字化指令，而且“帶寬”極其有限，往往只是幾個引導(dǎo)機械臂末端或者屏幕光標(biāo)的坐標(biāo)、角度信息，還有響應(yīng)延遲與誤碼率的問題，與外人看來隨心所欲、如臂使指的表現(xiàn)效果完全不同。

但即便有如此多的困難，腦機接口技術(shù)依然在不斷推進(jìn)。2021年5月，《自然》雜志上發(fā)表的一篇研究論文中，研究者就通過精確捕捉動作皮層神經(jīng)元的信號，讓植入電極陣列的被試者能以近乎常人的速度向計算機輸入字母，并且有著99%的驚人準(zhǔn)確率。

而相比于多少還可以想想辦法的“輸出指令”環(huán)節(jié)，如何向大腦有效地輸入反饋信息，形成完整的信息流閉環(huán)，才是最令研究者與工程師們頭疼的難題。在我們運動時，大腦時時刻刻都在根據(jù)各種反饋信息對動作進(jìn)行調(diào)整。但時至今日，我們對大腦如何表征并認(rèn)知輸入的信息依然有太多不甚明了的地方，更不用說向大腦準(zhǔn)確輸入有意義的人工信號了。目前的侵入式腦機接口，主要依靠被試者的目視來調(diào)整移動的效果，遠(yuǎn)不足以支持基于閉環(huán)反饋的精細(xì)操作。

相比于“電極入腦”的侵入式腦機接口，還有一類采用頭皮電極的非侵入式腦機接口。

當(dāng)年DARPA最早搞的那個腦機接口項目，就是基于腦電圖的非侵入式腦機接口。這條技術(shù)路線最明顯的好處，就是免去了手術(shù)的風(fēng)險，可以無門檻普及到任何人身上。

但非侵入式腦機接口的缺點同樣突出——如果說植入式電極是把話筒湊到神經(jīng)元的嘴邊，去分別錄它們的個人發(fā)言，那么非侵入式腦機接口就是在大樓頂上支一個麥克風(fēng)，然后隔著天花板去聽底下人群的嗡嗡聲響。因此，在取得記錄技術(shù)的突破以前，非侵入式腦機接口都只能記錄到神經(jīng)元群體電位變化的總和，反映一些非?！按蠖钡拇竽X活動，前景同樣受到很大的局限。

現(xiàn)有的腦機接口技術(shù)和科幻故事里的描寫還有天壤之別 | Flickr, Ars Electronica / CC BY-NC-ND 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)

可以說，不管是侵入式還是非侵入式，現(xiàn)有的腦機接口技術(shù)，都與科幻故事中的未來科技有著天壤之別。像科幻電影、動畫和游戲的主角們那樣借助腦機接口控制功能強大復(fù)雜的機械義體，在現(xiàn)實戰(zhàn)場或者虛擬空間里完成各種超人之舉，其實在背后涉及到對上萬上億神經(jīng)元同步進(jìn)行的實時監(jiān)控，對目前的科技來說，是一個從理論到實踐都完全無從設(shè)想的幻想。人類對腦機接口的科幻演繹，其技術(shù)難度與夸張程度，甚至可能不亞于可以跨越光年距離的恒星際宇宙飛船。

盡管現(xiàn)實中的腦機接口依然有著太多的困難要去克服，甚至可能最后被證明根本不是一條有前景的技術(shù)路線。但對于那些靈魂被自身肉體禁錮的患者來說，哪怕這一點點生活解放，都已是堪比天使降臨的福音。

這才是包含腦機接口在內(nèi)的一切科學(xué)技術(shù)的根本意義——“一切為了人”。