在遙遠(yuǎn)的“人機(jī)”預(yù)言實(shí)現(xiàn)前，腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)先回到最初的醫(yī)學(xué)使命

不論是馬斯克“腦機(jī)接口”（BCI）技術(shù)的重大突破，包括其設(shè)備獲得FDA“突破性設(shè)備計(jì)劃”許可的消息，還是全球范圍內(nèi)以Neuralink、Mind Maze、Neuro Pace、BrainCo等為代表的腦機(jī)接口公司的頻現(xiàn)，都昭示著曾經(jīng)被視為科幻的腦機(jī)接口如今已照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的事實(shí)。

腦機(jī)接口的熱議似乎也走向了賽博朋克里關(guān)于“人機(jī)”的預(yù)言，即所謂的“自由個(gè)人”終將成為一個(gè)虛構(gòu)的故事，轉(zhuǎn)而變?yōu)樯?a target="_blank">算法的組合。而此前，無(wú)論是《黑鏡》還是《黑客帝國(guó)》都曾從“反烏托邦”的視角討論過(guò)“腦機(jī)”存在的未來(lái)意義。

當(dāng)然，對(duì)于腦機(jī)接口未來(lái)意義的討論是必要的，這關(guān)乎人類(lèi)文明的生長(zhǎng)和社會(huì)整體秩序的更新，但事實(shí)上，大多數(shù)腦機(jī)接口技術(shù)最初其實(shí)是作為醫(yī)療應(yīng)用而被開(kāi)發(fā)。在遙遠(yuǎn)的“人機(jī)”預(yù)言實(shí)現(xiàn)以前，回到腦機(jī)接口技術(shù)最初的醫(yī)學(xué)使命，也將幫助我們更多地靠近腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)真相。

腦機(jī)接口那些年

腦機(jī)接口作為一種不依賴(lài)于外周神經(jīng)和肌肉正常傳出路徑的通訊控制系統(tǒng)可以采集并分析大腦生物電信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備與大腦之間構(gòu)建交流與控制的直接路徑。

盡管腦機(jī)接口在近年來(lái)才成為前沿科技研究的熱點(diǎn)技術(shù)，但著眼更長(zhǎng)的時(shí)域會(huì)發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口研究的整體歷史更漫長(zhǎng)且復(fù)雜得多。

首先，腦機(jī)接口的第一階段為腦結(jié)構(gòu)的理論理解。1924年，德國(guó)神經(jīng)科學(xué)家漢斯·伯杰（Hans Berger）首次記錄到了人類(lèi)大腦的電活動(dòng)，并于1927年發(fā)表了關(guān)于人類(lèi)腦電波（Electroencephalogram，即EEG）的開(kāi)創(chuàng)性著作。作為腦機(jī)接口技術(shù)的第一種常用方法，EEG神經(jīng)反饋已經(jīng)被使用了幾十年。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)腦神經(jīng)開(kāi)始處理信息，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁信號(hào)。而電磁型號(hào)的變化，則反映出當(dāng)前皮層區(qū)域的活躍程度。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，編譯變成了包含信息的信號(hào)。這樣研究人員就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用算法推測(cè)出大腦想表達(dá)的東西。

對(duì)于這些腦電波（EEG），最初人們對(duì)其在時(shí)域上的波形進(jìn)行分析（尖峰分析法），之后研究者使用傅里葉變換或小波變換分析EEG信號(hào)在頻域上的能量分布（能量譜分析法，可以將腦波分成阿爾法，貝塔，伽馬及德?tīng)査ǎ?/p>

自上世紀(jì)中后期以來(lái)，混沌動(dòng)力學(xué)興起，人們發(fā)現(xiàn)由于腦神經(jīng)天然的復(fù)雜度，腦波更具有不穩(wěn)定及非線性的特性，所以越來(lái)越多的研究者開(kāi)始用混沌動(dòng)力學(xué)的研究方法分析腦波及腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中分形維數(shù)（FD）就是混沌動(dòng)力學(xué)在腦波分析用到的工具之一。

腦電波的第二階段是大腦信號(hào)的解碼應(yīng)用。1970年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了使用EEG探索大腦交流的計(jì)劃。

1976年，加州大學(xué)洛杉磯分校的雅克·維達(dá)爾（Jacques J． Vidal）發(fā)表了有關(guān)“直接腦機(jī)交流”的開(kāi)創(chuàng)性理論和技術(shù)建議，創(chuàng)造性給出了腦機(jī)接口沿用至今的標(biāo)準(zhǔn)定義，并將腦機(jī)接口研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在輔助患者恢復(fù)受損視力、聽(tīng)力及運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)修復(fù)之上。

隨著技術(shù)的進(jìn)展，第一批人類(lèi)用神經(jīng)修復(fù)設(shè)備在90年代中期出現(xiàn)。1998年則是腦機(jī)接口研究的另一大里程碑，研究人員菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）首次將腦機(jī)接口裝備植入人體內(nèi)，使用無(wú)線雙電極獲得了高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

腦機(jī)接口因此受到了更多的關(guān)注，而其不依賴(lài)外圍神經(jīng)與肌肉的參與便能實(shí)現(xiàn)大腦與計(jì)算機(jī)之間的通訊，則凸顯出了該技術(shù)在輔助治療腦中風(fēng)、癲癇等失能患者上的價(jià)值。

腦機(jī)接口的第三階段是從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的邁進(jìn)。2006年，布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù)，能夠用來(lái)控制鼠標(biāo)。2012年，腦機(jī)接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行操控，自己喝水、吃飯、打字與人交流。

2014年巴西世界杯開(kāi)幕式，高位截癱青年Juliano Pinto在腦機(jī)接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開(kāi)出一球；2016年，Nathan Copeland用意念控制機(jī)械手臂和美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬握手。

2017年，BrainGate 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)植入式腦機(jī)接口控制植入式功能性電刺激裝置，相當(dāng)于在原本神經(jīng)回路的斷口處利用外接計(jì)算機(jī)進(jìn)行修復(fù)連接，使得脊髓損傷病人可以通過(guò)大腦活動(dòng)控制自己的手臂，自主進(jìn)行一些日?；顒?dòng)。

至此，這種閉環(huán)的腦機(jī)接口操縱才在本質(zhì)上接近了人們過(guò)去在科幻作品中看到的未來(lái)感形象，腦機(jī)接口作為人類(lèi)器官的延伸成為人類(lèi)自然身體一部分的想法才真正成為可能。

從醫(yī)學(xué)使命到現(xiàn)實(shí)生活

隨著技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)需求的逐步擴(kuò)大，腦機(jī)接口技術(shù)由最初僅為完全沒(méi)有活動(dòng)能力的患者提供輔助治療，拓展到拼寫(xiě)、控制指針運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。同時(shí)，具有控制神經(jīng)假體功能的各種腦機(jī)接口系統(tǒng)、信號(hào)處理技術(shù)也在此基礎(chǔ)上開(kāi)始發(fā)展。

醫(yī)療康復(fù)是腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用最主要的方面。腦機(jī)接口可通過(guò)與環(huán)境的交互實(shí)現(xiàn)重癥癱瘓患者多種功能的替代，也可促進(jìn)大腦重塑以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，減輕殘疾程度以改善患者生活質(zhì)量。

比如，重度運(yùn)動(dòng)障礙患者可以在腦機(jī)接口技術(shù)幫助下，借助意念控制機(jī)械臂操作完成一些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括肌萎縮性（脊髓）側(cè)索硬化、脊髓損傷及其他殘疾患者，利用腦機(jī)接口機(jī)械假肢或腦機(jī)接口電動(dòng)輪椅等以補(bǔ)償部分功能。而運(yùn)動(dòng)功能喪失患者則有望借助腦機(jī)接口技術(shù)利用自身腦電圖操控輪椅或機(jī)器人，以輔助一些基本運(yùn)動(dòng)功能。

另一方面，研究已經(jīng)證實(shí)腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)腦卒中所致四肢癱瘓患者，尤其是閉鎖綜合征患者也有一定改善效果，腦機(jī)接口技術(shù)也可以刺激暫時(shí)性植物人患者腦部以恢復(fù)部分腦功能。這也顯示出了腦機(jī)接口在大腦可塑性方向上的巨大前景。

在8月27日的Neuralink發(fā)布會(huì)上，馬斯克就表示，未來(lái)人人都可以在腦部植入一個(gè)芯片，解決從記憶力喪失到聽(tīng)力喪失、失明、癱瘓、抑郁、失眠、焦慮、中風(fēng)、腦部損害等一系列問(wèn)題以改善嚴(yán)重神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的生活質(zhì)量。

而基于使用腦神經(jīng)的信號(hào)控制體外裝置，滿(mǎn)足特殊需求的初級(jí)腦機(jī)接口的更多了解，直接讓我們更深刻體會(huì)到腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)，和其現(xiàn)階段面臨的落地困境——無(wú)論是醫(yī)療康復(fù)還是腦疾治療，都需要克服對(duì)腦電信號(hào)的解碼困境。

以馬斯克 Neuralink 的腦機(jī)接口項(xiàng)目為例，事實(shí)上，除了他的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)電極數(shù)目更多、電極更柔軟以及設(shè)備微型化，本質(zhì)上并沒(méi)有對(duì)腦電信號(hào)解碼的突破。

人的語(yǔ)言是一個(gè)極具創(chuàng)造性的系統(tǒng)，其使用在語(yǔ)法規(guī)則外沒(méi)有任何限制。也就是說(shuō)，進(jìn)化數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，現(xiàn)實(shí)中的對(duì)話已經(jīng)是一個(gè)集合了聲音、符號(hào)、手勢(shì)、表情在內(nèi)的成熟的交流體系，并且這個(gè)體系仍然在日新月異的不斷完善中，而僅僅依賴(lài)腦電波信號(hào)一種維度來(lái)解碼這個(gè)復(fù)雜體系，其難度可想而知。

人腦是一個(gè)一直在運(yùn)行的器官，其腦電信號(hào)是持續(xù)不止的，尤其是在現(xiàn)實(shí)中，人腦常常是在執(zhí)行聽(tīng)說(shuō)功能的同時(shí)，還在進(jìn)行觸覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)以及運(yùn)動(dòng)等多種功能的運(yùn)行。

但事實(shí)上，到目前為止，當(dāng)前科學(xué)僅僅知道人的語(yǔ)言功能與大腦分區(qū)有關(guān)，并不知道數(shù)百億神經(jīng)元中的映射機(jī)制，也并不清楚不同功能腦區(qū)相互干擾的具體情況。

語(yǔ)言的解碼不僅限于聽(tīng)說(shuō)帶來(lái)的聲波信號(hào)，每個(gè)詞匯和句子還會(huì)給人一種語(yǔ)義，而這個(gè)語(yǔ)義就會(huì)對(duì)每個(gè)人的反饋不一樣。

比如，全世界有上萬(wàn)種語(yǔ)言和方言，那么對(duì)于同一個(gè)語(yǔ)義，不同語(yǔ)言和方言對(duì)應(yīng)腦電信號(hào)都可能有差異，甚至對(duì)于不同環(huán)境成長(zhǎng)的同一語(yǔ)言人群以及同一個(gè)人在不同年齡段和不同情緒狀態(tài)下的腦電信號(hào)都可能不同。還有，對(duì)于同一時(shí)間的同一個(gè)人，同一個(gè)詞匯可能都會(huì)引起不同刺激程度的腦電信號(hào)。

同時(shí)，語(yǔ)言之外更有意識(shí)，說(shuō)出來(lái)的語(yǔ)言和聽(tīng)到的語(yǔ)言有聲波的物理性質(zhì)，這些物理信號(hào)是確定的刺激信號(hào)，而意識(shí)則擁有更大的模糊不確定性。

在遙遠(yuǎn)的“人機(jī)”預(yù)言實(shí)現(xiàn)以前，回到腦機(jī)接口技術(shù)最初的醫(yī)學(xué)使命，也將幫助我們更多地靠近腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)真相。顯然，相較于人體其他組織，人類(lèi)大腦亦擁有更為精妙的結(jié)構(gòu)，要想破解人類(lèi)大腦的“秘密”還需要更多的探索，而距離成熟的腦機(jī)接口技術(shù)興許還有很長(zhǎng)的路要走。
責(zé)編AJX