脑机接口简单介绍

一、前言

        在科幻电影中，我们经常能够看到这样的场景，例如冬兵可以通过机械臂自由地战斗，X教授可以通过意念控制思想，又或者是《黑客帝国》当中，为我们描绘的画面：通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界；只需一个意念我们就能改变“现实”；学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，也不需要在花费大量的时间，只需直接将知识传输到大脑当中即可。这并非是天马行空的幻想，而是基于早已有之的“脑机接口”技术的的合理设想。 

        脑机接口的概念最先于1973年提出，伴随着计算机性能的飞速提高，在美国“人类脑计划”的资金支持下，脑机接口的研究进入了高速发展期。2000 年，在《自然》发表的一篇名为“RealBrains for Real Robots” 的文章里，首次报道了从猴子的大脑皮层成功获取到了脑电信号，对千里之外的机器人进行了实时控制，实现了“Monkey Think，Robot Do”。此后随着神经科学及计算机技术的快速发展，对脑机接口的研究也取得了快速发展和进展。特别是1999年、2002 年、2005年和2008 年召开的四次BCI 国际会议，明确了BCI研究的发展方向和面临的挑战，使得BCI成为国际研究热点。

        作为一项新兴且潜力巨大的技术，美国国防部、科研机构和高科技公司都在积极进行研究。特斯拉创始人埃隆·马斯克在2016年投资创立了面向神经假体应用和未来人机通信的脑机接口公司Neuralink。其短期目标是治愈严重的脑部疾病，如老年痴呆症和帕金森症，并且最终通过与人工智能的融合来增强大脑。

       四年前，埃隆·马斯克召开发布会，宣布成立两年的脑机接口（BCI）公司Neuralink的脑机接口技术获重大突破，他们已经找到了高效实现脑机接口的方法。这实际上是一套脑机接口系统：利用一台神经手术机器人向人脑中植入数十根直径只有4-6微米的“线”以及专有技术芯片和信息条，然后可以直接通过USB－C接口读取大脑信号。与以前的技术相比，新技术对大脑的损伤更小，传输的数据也更多。

        Neuralink的最新技术成果的公布，也彻底引爆了外界对于“脑机接口”技术的关注。

二、简介及原理

        脑机接口原理是在人或动物脑与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路的一种全新通讯和控制技术。在大脑与外部设备之间创建直接连接，实现脑与设备的信息交换。当人类思考时，大脑皮层中的神经元会产生微小的电流。人类进行不同的思考活动时，激活的神经元也不同。而脑机接口技术便可以靠直接提取大脑中的这些神经信号来控制外部设备，在人与机器之间架起桥梁。 简单说，就是实现用意念控制机器。这意味着人与机器的主要交互方式，除了手工输入，以及近几年兴起的人工智能语音交互之外，还可以直接通过大脑向机器发指令。

三、应用的技术
        其实在很早之前，科学家就已经有了制造早期脑机接口技术的想法，但由于技术的限制，一直没有什么实质性的进展。在此后的时间里，人们针对该技术的算法和应用不断创新。如果将脑机接口技术的发展划分为三个阶段：第一阶段是科学幻想阶段，第二阶段是科学论证阶段，第三阶段也就是当下所处的阶段，主要聚焦用什么技术路径来实现脑机接口技术，将出现各种各样的技术方法，进入“技术爆发期”。 

        一个典型的脑机接口系统主要包含4个组成部分：信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节。

1、信号采集

        当下，脑机接口的信号采集技术可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三大类：

        非侵入式的脑机接口是指头戴式的脑电帽，它主要是使用脑电帽上的电极从头皮上采集脑电信号。这种方式可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动，主要缺点是不够精准。此外，头戴式的脑电帽虽然不会损伤大脑，但每次使用时都需要先洗干净头发，再往脑电帽的电极中注入导电胶，操作起来十分麻烦。虽然操作麻烦，但是不需要外科手术的介入，因此对非侵入式的研究，已成为BCI研究的热点方向。而脑电信号由于其时间分辨率高，采集设备容易携带，便于投入使用等优点，正成为脑机接口应用于控制系统的主要方式。

        侵入式脑机接口是指在大脑中植入电极或芯片。人的大脑中有上千亿个神经元，通过植入电极，可以精准地监测到单个神经元的放电活动。但这种方式会对大脑造成一定的损伤，电极的植入不但会损伤大脑神经元，也会有感染的风险。在大脑中植入电极后，周围的胶质细胞会逐渐将电极包裹起来，电极监测到的神经元活动会越来越弱。几年甚至几个月后，电极就完全监测不到神经元活动，如果需要再次使用，就得重新植入电极，再次经历风险。

        半侵入式脑机接口即将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，但是却优于非侵入式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。

 2、信号分析

        收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。

        分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图，皮层脑电图等模型可以协助分析。

3、再编码

         将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。

        但编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上，比如小白鼠身上，控制它的行为方式。

4、反馈

        获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉等等。

        脑机接口要实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。

四、存在的问题      

        自脑机接口技术产生起，各种问题随之而来。除了存在“非侵入式”操作麻烦以及“侵入式”植入物的安全和健康风险外，脑机接口技术还存在很多伦理和技术问题：如果可以在大脑中安装芯片，有多少人会同意安装呢？人们是否能接受“开头颅、插芯片”，并试图“篡改”自己的神经冲动？

       目前已有文献表明，对伦理问题讨论较多，但对如何解决这些伦理问题意见较少，从而引起了对脑机接口技术的监管和治理的充分讨论。随着这一领域的加速发展，其带来的伦理问题就显得更为突出和重要，在国际上研究者从安全、知情同意、准确性、自由意志、合理性界定、身份认同和自我同一性、隐私及公平8个方面探讨了潜在的伦理问题。

五、应用领域

        虽然存在很多困难和风险但科学家还是在积极探索脑机接口技术的实现与应用。医疗领域将是脑机接口技术的主要用武之地，例如利用脑机接口技术，使残障患者通过控制机械臂进行活动。

        除医疗领域外，脑机接口技术目前还被广泛应用于航空航天、教育、娱乐等多个领域。例如，在航空航天领域，脑机接口技术可以帮助航天员用大脑更好地操控机械设备，在特殊的环境下执行任务等。

        总的来说，目前的脑机接口技术还是只能实现一些并不复杂的对于脑电信号的读取和转换，从而实现对于计算机/机器人的简单控制。要想实现直更为复杂的精细化的交互和功能，实现所想即所得，甚至实现将思维与计算机的完美对接，实现通过“下载”能够熟练的掌握新知识、新技能，而这还有很漫长的路要走。