追求“蝴蝶一樣自由的思維”，甚至是所謂“永生”，是人類(lèi)美好的夢(mèng)想。站在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程的角度，今天我們離這個(gè)目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)，根本的問(wèn)題在于我們對(duì)大腦的工作機(jī)制，特別是信息編碼的規(guī)律知之甚少。

想象一下，如果有一天你醒來(lái)發(fā)現(xiàn)全身動(dòng)彈不得，只能眨眨眼，你會(huì)怎么辦？

法國(guó)時(shí)尚雜志ELLE主編鮑比就經(jīng)歷了這種事情。他現(xiàn)在只能躺在病床上，四肢無(wú)法動(dòng)彈，甚至一點(diǎn)聲音都發(fā)不出，唯一能做的只是眨一眨左眼。語(yǔ)言治療師亨瑞特對(duì)他盡心照料，鮑比想對(duì)她說(shuō)聲謝謝，他需要在亨瑞特一遍遍復(fù)述法語(yǔ)字母表的時(shí)候，眨五次眼睛，才能“拼寫(xiě)”出MERCI這個(gè)法語(yǔ)單詞。鮑比因?yàn)橥蝗缙鋪?lái)的中風(fēng)，全身肌肉癱瘓，進(jìn)入了完全閉鎖的狀態(tài)（Locked-in Syndrome），眨動(dòng)左眼是他唯一和外界交流的方式，可是他的大腦和思維是完全鮮活而正常的，這種孤獨(dú)與絕望可想而知。不可思議的是，鮑比竟然靠眨眼睛“寫(xiě)”出了一本回憶錄《潛水鐘與蝴蝶》，同名電影2008年獲金球獎(jiǎng)。在我主講的《神經(jīng)工程原理》課上，每當(dāng)講到“腦機(jī)接口”(Brain Computer Interface, BCI)的時(shí)候，一定會(huì)給學(xué)生們推薦這部感人至深的電影，因?yàn)槲液退袕氖律窠?jīng)工程研究的同行們都堅(jiān)信，總有一天腦機(jī)接口技術(shù)會(huì)幫助鮑比這樣的病人，讓他們不再生活在密閉的“潛水鐘”里，通過(guò)腦電或者神經(jīng)活動(dòng)自由地表達(dá)自己，讓思想可以像“蝴蝶”一樣自由地飛翔。

電影《潛水鐘與蝴蝶》中的拼字板

其實(shí)像鮑比這樣思維被封閉在癱瘓身體中的病人不在少數(shù)，著名物理學(xué)家霍金就是類(lèi)似的癥狀，他患有肌萎縮性脊髓側(cè)鎖硬化癥（ALS），也就是2014年夏天流行的“冰桶挑戰(zhàn)”提醒公眾關(guān)注的“神經(jīng)漸凍癥”。中國(guó)有一位年輕的神經(jīng)漸凍癥病人王甲，他也用“眨眼睛”的方式寫(xiě)了本書(shū)《人生沒(méi)有假如》?！吧窠?jīng)漸凍癥”的發(fā)病原因還沒(méi)有研究清楚，目前也沒(méi)有治療和康復(fù)的辦法。病人在發(fā)病初期出現(xiàn)肌肉無(wú)力萎縮的癥狀，隨著病程發(fā)展，逐漸失去運(yùn)動(dòng)、說(shuō)話和吞咽能力，甚至需要呼吸機(jī)幫助呼吸。高位截癱、重癥肌無(wú)力等疾病也會(huì)帶來(lái)運(yùn)動(dòng)和溝通的困難，他們同樣需要腦機(jī)接口的幫助。

用思維控制幻燈片播放

科學(xué)家最早嘗試腦機(jī)接口研究，是在1963年的英國(guó)。Burden Neurological Institute的Grey Walter醫(yī)生用當(dāng)時(shí)非常前沿的腦電技術(shù)和他的病人開(kāi)了個(gè)“玩笑”。這些癲癇病人因?yàn)榇_定腦內(nèi)病灶的需要，做了手術(shù)，腦內(nèi)放了電極，貼近大腦皮層，可以獲取非常清晰的神經(jīng)活動(dòng)。因?yàn)殡姌O比較大，記錄阻抗低，雖然不能記錄單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電，但能記錄到電極周?chē)窠?jīng)細(xì)胞共同活動(dòng)的場(chǎng)電位(Field Potentials)。這些病人會(huì)帶著電極在醫(yī)院生活一兩周。Walter醫(yī)生突發(fā)奇想，在病人們欣賞風(fēng)光幻燈片的時(shí)候，偷偷把腦電電極連接到了自己發(fā)明的“電位轉(zhuǎn)換器”上，把病人大腦運(yùn)動(dòng)皮層的場(chǎng)電位信號(hào)，轉(zhuǎn)換成了幻燈機(jī)換片的控制信號(hào)。于是“心想事成”的奇跡發(fā)生了：病人每次打算換片，但還沒(méi)有按動(dòng)按鈕時(shí)，幻燈機(jī)就已經(jīng)知道了他的想法，自動(dòng)換片了！這是腦機(jī)接口技術(shù)的第一次完整實(shí)現(xiàn)：采集大腦神經(jīng)信號(hào)，翻譯轉(zhuǎn)換后控制外部設(shè)備。

這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)非常超前，只有科幻電影中才會(huì)出現(xiàn)。這個(gè)“玩笑”背后是Walter醫(yī)生通過(guò)對(duì)腦電活動(dòng)的定量測(cè)量和深入探索，發(fā)現(xiàn)了與注意和期待有關(guān)的腦電活動(dòng)。在此之前，所謂“腦電”僅僅指每秒10次左右的節(jié)律性起伏（Alpha波），通過(guò)這種起伏可以推測(cè)人腦的警覺(jué)狀態(tài)，不能反映精細(xì)的思維活動(dòng)。Walter醫(yī)生也是個(gè)非常優(yōu)秀的工程師，他采用多次平均技術(shù)，去除噪聲，得到腦電發(fā)明以來(lái)最“純凈”的腦內(nèi)活動(dòng)波形——事件誘發(fā)電位（Event Related Potential , ERP)，從此科學(xué)家通過(guò)事件誘發(fā)電位定量研究大腦對(duì)外界視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)刺激的響應(yīng)規(guī)律，以及大腦內(nèi)部認(rèn)知過(guò)程的展開(kāi)，從此打開(kāi)了一扇研究人腦的新窗口。

Albany山谷里的較量

2005年左右，腦機(jī)接口研究重新成為生物醫(yī)學(xué)工程的研究熱點(diǎn)。那年夏天在美國(guó)紐約州Albany的一個(gè)山谷里召開(kāi)了一次腦機(jī)接口國(guó)際會(huì)議，參加人數(shù)超過(guò)百人。因?yàn)樵跁?huì)前的腦機(jī)接口數(shù)據(jù)分析競(jìng)賽中，清華大學(xué)的小組獲得了非常突出的成績(jī)，我隨同高上凱、高小榕兩位教授一起參加了這次會(huì)議。這次會(huì)議集中了世界上最早一批進(jìn)入腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究者，他們對(duì)發(fā)現(xiàn)新的腦電誘發(fā)方法，開(kāi)發(fā)腦電信號(hào)處理方法等等都有獨(dú)到的創(chuàng)新。

大會(huì)主席是紐約州Wadsworth Center的Jonathan Wolpaw教授，他認(rèn)為沒(méi)有創(chuàng)傷的頭皮腦電是腦機(jī)接口技術(shù)的未來(lái)，像霍金這樣的運(yùn)動(dòng)殘疾的病人只要帶上腦電帽，就可以記錄和識(shí)別一些簡(jiǎn)單的腦電活動(dòng)，再加上計(jì)算機(jī)模式識(shí)別的幫助，就可以實(shí)現(xiàn)打字、控制輪椅等簡(jiǎn)單任務(wù)了。Wolpaw博士是一位包容的學(xué)者，他注意到另一類(lèi)有創(chuàng)傷的腦機(jī)接口技術(shù)也取得了很大的進(jìn)展，這類(lèi)BCI通過(guò)外科手術(shù)，把硅電極陣列埋進(jìn)大腦內(nèi)部，獲取大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞放電，計(jì)算機(jī)解析后用來(lái)控制屏幕光標(biāo)或機(jī)械手移動(dòng)。這種技術(shù)雖然控制精細(xì)操作自如，但手術(shù)創(chuàng)傷的代價(jià)是不可避免的。布朗大學(xué)John Donoghue教授是有創(chuàng)腦機(jī)接口的主要代表，也被Wolpaw教授邀請(qǐng)來(lái)做大會(huì)報(bào)告。會(huì)上的爭(zhēng)論非常激烈，有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)兩種腦機(jī)接口技術(shù)之間的較量由此開(kāi)始。

無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口：幫你“心想事成”的腦電帽

當(dāng)你在閱讀這篇文章時(shí)，如果戴上一個(gè)腦電帽，上面規(guī)則地排滿金屬電極（通常是銀和氯化銀電極），在每個(gè)電極位置小心地注入導(dǎo)電膠（通常是氯化鈉和膠黏劑的混合物），讓你的頭皮通過(guò)導(dǎo)電膠和金屬電極接觸，再連接上生物電放大器，這時(shí)候就會(huì)在你前額和后腦勺的電極上檢測(cè)到微弱的電位變化。這個(gè)電位變化反映你集中注意力的水平，但卻無(wú)法檢測(cè)你讀到的文字和具體的思維活動(dòng)。如果把我們的大腦比喻成一個(gè)巨大的體育場(chǎng)，那么里面的觀眾就是神經(jīng)細(xì)胞，他們都在自由地“交談”。要想聽(tīng)到每個(gè)人說(shuō)話的內(nèi)容，只能在每個(gè)人附近放個(gè)麥克風(fēng)，這種探測(cè)只能進(jìn)入體育場(chǎng)內(nèi)。對(duì)我們的大腦來(lái)說(shuō)，就要通過(guò)打開(kāi)腦袋的外科手術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了避免手術(shù)創(chuàng)傷，我們把麥克風(fēng)放在體育場(chǎng)外，也就是在腦袋表面貼上電極。體育場(chǎng)外的麥克風(fēng)當(dāng)然不能分辨里面每個(gè)人的講話，但如果場(chǎng)內(nèi)發(fā)生了很大的動(dòng)靜，例如大家都在為進(jìn)球歡呼，場(chǎng)外便能聽(tīng)到；同樣道理，貼在頭皮表面的腦電電極無(wú)法分辨每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，但可以探測(cè)腦內(nèi)“非常大的活動(dòng)”，通常這種活動(dòng)是很多神經(jīng)細(xì)胞共同的活動(dòng)，正如體育場(chǎng)里的半場(chǎng)或者全場(chǎng)歡呼。

這個(gè)例子說(shuō)明腦電是個(gè)低分辨率的神經(jīng)傳感技術(shù)。依照電磁場(chǎng)理論，腦電的空間分辨率在一厘米左右，也就是說(shuō)一厘米范圍內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)，對(duì)于腦電電極來(lái)說(shuō)是不可區(qū)分的。如果有人宣稱(chēng)可以用頭皮外面的腦電來(lái)解讀精細(xì)的思維活動(dòng)，例如探測(cè)你正在閱讀的文字、心算的數(shù)字、回憶的內(nèi)容等，都是天方夜譚。

腦電產(chǎn)生的原理

那么，為什么Albany腦機(jī)接口大會(huì)上還有那么多人研究基于腦電的腦機(jī)接口呢？當(dāng)然是因?yàn)樗鼪](méi)有創(chuàng)傷，正常人也可以用。如果你能設(shè)計(jì)出精巧的視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)刺激，能讓腦機(jī)接口的使用者把自己的“簡(jiǎn)單思維”通過(guò)注意力或者想象機(jī)制加載到自己的腦電波上，你就可以分析使用者的腦電波，提取出他的“簡(jiǎn)單思維”。這是一種間接的“思維解讀”，實(shí)際上是把腦電作為信息的載體，有點(diǎn)類(lèi)似通訊系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)制。Jonathan Wolpaw的研究組就是通過(guò)研究一種和注意力有關(guān)的事件誘發(fā)電位P300來(lái)實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口打字的。P300電位是當(dāng)大腦檢測(cè)到小概率的外界刺激，或者在一連串重復(fù)事件中檢測(cè)到新奇事件時(shí)出現(xiàn)的，這個(gè)電位活動(dòng)最強(qiáng)的位置往往在頭頂中央。因?yàn)殡妷菏钦模逯荡蟾旁谑录l(fā)生后300毫秒，所以被稱(chēng)為P300 (P for Positive)。如果把字母表隨機(jī)重復(fù)一遍，當(dāng)你希望選擇的那個(gè)字母出現(xiàn)的時(shí)候，你的頭頂中央就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)P300電位，而其他不相干的字母出現(xiàn)時(shí)，P300電位不會(huì)出現(xiàn)。如果我們把26個(gè)字母和鍵盤(pán)按鍵精巧地排列起來(lái)，快速地隨機(jī)在計(jì)算機(jī)屏幕上閃現(xiàn)，同時(shí)檢測(cè)你的P300腦電，就可以分析出你要選擇輸入的字母。Wolpaw研究組把P300應(yīng)用于腦電打字的腦機(jī)接口，取得了很大的成功。這種設(shè)計(jì)的明顯的缺點(diǎn)是，屏幕上的字母需要不停閃爍，用戶會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞；另外，P300腦電波的個(gè)體差異較大，給檢測(cè)算法帶來(lái)挑戰(zhàn)。

也許你會(huì)覺(jué)得這樣的腦機(jī)接口不夠自然，還需要外界的視覺(jué)刺激來(lái)配合。能不能只是想一想，就能通過(guò)腦電讀出來(lái)？由于上面提到的腦電的低分辨率，精細(xì)的“想法”是無(wú)法解讀的。唯一例外是“運(yùn)動(dòng)想象”，當(dāng)想象左手、右手或者腳的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以在頭頂向兩耳外側(cè)延展的帶狀區(qū)域（感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶）安放腦電電極，檢測(cè)出這三種想象狀態(tài)的差別。背后的生理基礎(chǔ)是感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶的功能劃分與身體的不同部位相對(duì)應(yīng)：左手的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)由帶狀區(qū)域的右邊部分負(fù)責(zé)，右手則由左邊負(fù)責(zé)，形成對(duì)側(cè)交叉，而下肢和腳部由中間區(qū)域負(fù)責(zé)；由于左右腳的負(fù)責(zé)區(qū)域都在頭皮中間，所以左右腳是無(wú)法區(qū)分的。如果在這三個(gè)區(qū)域（感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶的左中右）分別放上腦電電極，理想情況下，檢測(cè)這三個(gè)位置的腦電活動(dòng)強(qiáng)度變化，就可以推測(cè)你是在想象左手、右手還是腳的運(yùn)動(dòng)了。當(dāng)然，你在真的運(yùn)動(dòng)手腳時(shí)，這三個(gè)位置的腦電活動(dòng)變化更加清晰強(qiáng)烈。這個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)規(guī)律，通過(guò)功能磁共振成像可以很清晰地展示出來(lái)。因?yàn)轭^皮表面的腦電非常微弱，有效信號(hào)只有微伏量級(jí)，而且淹沒(méi)在很大的電學(xué)和生理噪聲中，要準(zhǔn)確地檢測(cè)出左右手和腳的運(yùn)動(dòng)想象，還需要微弱信號(hào)的處理技術(shù)。感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶的腦電主要能量變化集中在10赫茲和20赫茲附近，即所謂的腦電alpha波段和beta波段。通常需要把采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行濾波，把包含關(guān)鍵信號(hào)的alpha和beta頻段能量變化提取出來(lái)，送入一個(gè)訓(xùn)練好的分類(lèi)算法，才能最終完成對(duì)腦電信號(hào)的準(zhǔn)確翻譯。

感覺(jué)運(yùn)動(dòng)腦區(qū)和手腳運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

如果我們有高性能的腦電帽和放大器、識(shí)別準(zhǔn)確率高的算法，就能讓腦電波來(lái)控制屏幕光標(biāo)、假肢、輪椅，甚至機(jī)器人。因?yàn)槟X電只能檢測(cè)出三種想象狀態(tài)的差別，所以最多只能控制三個(gè)操作：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和前進(jìn)。2006年夏天德國(guó)足球世界杯期間，我和高上凱、高小榕教授實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一套腦電控制機(jī)器狗踢足球的腦機(jī)接口系統(tǒng)，第一次實(shí)現(xiàn)了三個(gè)方向的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)特殊的訓(xùn)練和精巧的程序設(shè)計(jì)，少數(shù)人能夠控制二維和三維空間目標(biāo)的移動(dòng)，例如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)Bin He教授實(shí)驗(yàn)室演示的腦電遙控無(wú)人機(jī)飛行。最有戲劇性的演示是2014年巴西足球世界杯開(kāi)幕式上的開(kāi)球，這大概是歷史上最特別的一次：一位下肢殘疾的巴西青年在腦機(jī)接口技術(shù)的幫助下，用自己的腦電控制一套下肢外骨骼（機(jī)械假肢）踢出了第一腳球，其原理就是上面介紹的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口。

這些演示猶如科幻，讓人驚嘆。為什么這樣的技術(shù)還沒(méi)有應(yīng)用到臨床，幫助哪些重度殘疾的病人重新獲得運(yùn)動(dòng)能力？目前的技術(shù)困難一方面在腦電極。前面交代過(guò)，要獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定的腦電信號(hào)，需要在電極和頭皮之間注入導(dǎo)電膠，這種膠體適合于兩小時(shí)內(nèi)的短期使用，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)干結(jié)，其中的離子運(yùn)動(dòng)受阻，腦電信號(hào)質(zhì)量會(huì)大幅度下降，直至腦機(jī)接口系統(tǒng)無(wú)法工作；另一方面的難點(diǎn)是各種干擾的存在，例如環(huán)境中的電磁噪聲、使用者體表的電生理信號(hào)等，甚至使用者的心理狀態(tài)也會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，很多腦機(jī)接口的識(shí)別算法離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室到了家居環(huán)境就無(wú)法穩(wěn)定工作了。隨著新的腦電傳感器（例如干電極）和識(shí)別算法的不斷改進(jìn)，相信未來(lái)的腦電帽一定會(huì)幫助一部分喪失運(yùn)動(dòng)功能的病人重新體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)，提高生活質(zhì)量。

腦機(jī)接口控制機(jī)器狗踢足球

植入腦機(jī)接口：神經(jīng)芯片解讀精細(xì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)

既然腦電信號(hào)不夠精準(zhǔn)，不夠穩(wěn)定，為什么不把神經(jīng)傳感器放進(jìn)腦內(nèi)，去探測(cè)和記錄每一個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，做一個(gè)長(zhǎng)期植入“一勞永逸”的腦機(jī)接口呢？1998年，美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Neural Signals的創(chuàng)始人Philip Kennedy開(kāi)始嘗試在人腦中植入微電極，記錄運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞放電，希望幫助一位完全喪失運(yùn)動(dòng)能力的殘疾人恢復(fù)與外界的交流。因?yàn)殡姌O數(shù)目限制，他的實(shí)驗(yàn)展示了可能性，但解讀信號(hào)的準(zhǔn)確率遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用要求。他的初步研究以及60年代Grey Walter醫(yī)生的勇敢嘗試，啟發(fā)了一批從事運(yùn)動(dòng)功能神經(jīng)電生理研究的學(xué)者，其中包括布朗大學(xué)John Donoghue、匹茲堡大學(xué)Andrew Schwartz、杜克大學(xué)Miguel Nicolelis、伯克利大學(xué)的Jose Carmena等。他們都曾長(zhǎng)期從事靈長(zhǎng)類(lèi)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)電生理的研究，對(duì)于猴子大腦運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)細(xì)胞控制上肢運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，有著深入的理解。上面我們提到手腳運(yùn)動(dòng)是由對(duì)側(cè)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶控制的，這只是個(gè)宏觀的規(guī)律，進(jìn)一步的問(wèn)題是，手腳運(yùn)動(dòng)的方向、加速度、力量等這些參數(shù)是如何通過(guò)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)帶的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)來(lái)編碼的？

這個(gè)問(wèn)題的研究可以一直追溯到現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的奠基人、1932年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Charles Sherrington。他發(fā)現(xiàn)肌肉的控制是由脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞協(xié)同完成的，并非簡(jiǎn)單的一對(duì)一的控制。這個(gè)協(xié)同編碼( Population Coding )的思想啟發(fā)了后來(lái)的大腦運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)編碼的研究，特別是1980年代初，Apostolos Georgopoulos等人發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)細(xì)胞是用一種“民主投票”的方式協(xié)同編碼手臂的運(yùn)動(dòng)方向的。如果把這些神經(jīng)細(xì)胞的放電活動(dòng)用向量來(lái)表示，向量的方向是這個(gè)細(xì)胞的喜好方向，向量的長(zhǎng)度是每秒鐘的放電次數(shù)（發(fā)放率），把所有能記錄到的細(xì)胞的“放電向量” 用向量求和的方式加起來(lái)，得到的向量方向就是手臂要去的目標(biāo)方向。

最初的植入腦機(jī)接口研究是在”訓(xùn)練有素“的猴子身上進(jìn)行的。2002年Donoghue實(shí)驗(yàn)室的猴子可以用自己運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)控制計(jì)算機(jī)屏幕上的目標(biāo)在二維平面自由移動(dòng)，隨后Schwartz實(shí)驗(yàn)室的猴子通過(guò)類(lèi)似的腦機(jī)接口可以在三維空間做到自由控制，杜克大學(xué)Nicolelis實(shí)驗(yàn)室的猴子甚至可以遙控遠(yuǎn)在MIT的機(jī)械臂。隨著電極植入技術(shù)和神經(jīng)活動(dòng)解讀方法越來(lái)越精準(zhǔn)，猴子可以通過(guò)腦機(jī)接口控制的參數(shù)個(gè)數(shù)越來(lái)越多。到了2008年，Schwartz實(shí)驗(yàn)室的猴子可以做到自如控制機(jī)械臂的10個(gè)自由度，并且用完全腦控的方式操作機(jī)械臂拿到了棉花糖喂自己，這向人們展示了植入腦機(jī)接口用于殘疾人控制假肢的美好前景。

脊柱損傷癱瘓病人用植入式猶他芯片控制電腦鼠標(biāo)

從靈長(zhǎng)類(lèi)到人類(lèi)植入腦機(jī)接口的發(fā)展，應(yīng)該感謝三位勇敢的重度殘疾人。第一位是高位截癱的病人Matthew Nagle，2006年他同意在自己的大腦運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)應(yīng)手部控制的區(qū)域植入了一個(gè)100通道的微電極陣列，這個(gè)電極陣列連接到Donoghue實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的BrainGate腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用“思維”控制屏幕光標(biāo)，打開(kāi)郵件，甚至玩乒乓游戲。不幸的是，第二年Matthew因?yàn)楦腥救ナ?。第二位是Cathy Hutchinson，她因?yàn)橹酗L(fēng)喪失了運(yùn)動(dòng)能力，在BrainGate第二代腦機(jī)接口系統(tǒng)的幫助下，她在2012年控制機(jī)械手端起咖啡送到自己嘴邊，開(kāi)心地喝了一口，這是她中風(fēng)15年來(lái)第一次。第三位是因?yàn)檐?chē)禍截癱的病人Ian Burkhart， 2016年在BrainGate第二代系統(tǒng)的幫助下，他的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)被翻譯成電脈沖，來(lái)驅(qū)動(dòng)他手臂上的肌肉刺激電極，讓手臂肌肉按照自己的意愿重新活動(dòng)起來(lái)，完成抓握、轉(zhuǎn)腕、攪拌等動(dòng)作，甚至可以彈兩下吉他。過(guò)去15年，植入腦機(jī)接口取得了從“猴”到“人”的進(jìn)步，除了神經(jīng)科學(xué)家、生物醫(yī)學(xué)工程師，神經(jīng)外科大夫也在其中發(fā)揮了重要的作用，這三例臨床實(shí)驗(yàn)涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，無(wú)一例外都是這三方面研究者的團(tuán)隊(duì)合作。

腦機(jī)接口幫助癱瘓病人喝到咖啡

腦機(jī)接口恢復(fù)截癱病人前臂運(yùn)動(dòng)

看到這些激動(dòng)人心的研究成果，大家也許會(huì)覺(jué)得植入腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)非常完美，臨床應(yīng)用已經(jīng)近在咫尺，實(shí)則不然。到目前為止，已有15-20位重度殘疾人參加植入腦機(jī)接口的臨床實(shí)驗(yàn)，都碰到了一個(gè)難以攻克的問(wèn)題：植入電極因?yàn)樯窠?jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的包裹而逐漸失效，無(wú)法繼續(xù)記錄神經(jīng)細(xì)胞的放電活動(dòng)。上述臨床實(shí)驗(yàn)中采用的都是猶他電極陣列（Utah Array)，雖然只有4x4毫米，但上面的100個(gè)硅電極微針是要穿透大腦表面，插入神經(jīng)細(xì)胞之間，才能記錄到神經(jīng)放電信號(hào)，必然會(huì)造成神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。最糟糕的情況下，2-3個(gè)月這些電極就會(huì)逐漸實(shí)效，長(zhǎng)一點(diǎn)可以堅(jiān)持2-3年，但信號(hào)質(zhì)量逐漸下降，腦機(jī)接口系統(tǒng)的工作性能也隨之下降。如果這個(gè)問(wèn)題不能很好解決，長(zhǎng)期植入就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，每2-3年做一次手術(shù)更換電極的代價(jià)太大。除此以外，神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線傳輸也是個(gè)難題。以上這些臨床研究都在病人頭部安裝了有線的“插頭”，來(lái)傳送神經(jīng)信號(hào)和供電，這大大增加了感染的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這兩個(gè)難題，科學(xué)家考慮了很多辦法，例如通過(guò)在電極表面增加抗炎因子來(lái)減輕膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)；無(wú)線低功耗的神經(jīng)芯片也在研制當(dāng)中，甚至有人提出采用納米塵埃擴(kuò)散到神經(jīng)細(xì)胞周?chē)バ纬缮窠?jīng)塵埃（Neural Dust），通過(guò)超聲供電來(lái)獲取神經(jīng)信號(hào)等等。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞包裹電極導(dǎo)致記錄失效

為了解決這兩個(gè)難題，2013年提出一種新的微創(chuàng)腦機(jī)接口思路：把神經(jīng)電極只是埋入大腦皮層表面，不穿透皮層，通過(guò)少數(shù)幾個(gè)電極的場(chǎng)電位，而不是神經(jīng)放電活動(dòng)，來(lái)建立腦機(jī)接口。這樣可以避免神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反映和包裹，同時(shí)因?yàn)殡姌O數(shù)目少，信號(hào)采樣率低，可以很容易地實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集和供電。這樣的微創(chuàng)方案獲取的神經(jīng)信息要少于電極陣列，但長(zhǎng)期可靠性強(qiáng)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的腦機(jī)接口打字方法，把電極放在視覺(jué)腦區(qū)處理運(yùn)動(dòng)物體的高級(jí)區(qū)域，用這個(gè)區(qū)域內(nèi)60赫茲以上的高頻率場(chǎng)電位變化來(lái)分辨病人的注意力焦點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確、長(zhǎng)期穩(wěn)定的腦電打字。

微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床測(cè)試

腦機(jī)接口真的能讀出你的思想嗎？

腦機(jī)接口是一種很有未來(lái)感的技術(shù)，和外星探索一樣常常成為科幻電影的主題。在電影《阿凡達(dá)》中，人類(lèi)的思維活動(dòng)可以轉(zhuǎn)移給“替身”(Avatar)，除了控制替身的活動(dòng)之外，還和替身一起經(jīng)歷外星球的體驗(yàn)，腦機(jī)接口系統(tǒng)在電影中是一臺(tái)類(lèi)似磁共振掃描儀的睡眠機(jī)器；電影《超驗(yàn)駭客》中，神經(jīng)科學(xué)家威爾遇刺病危，他的妻子因?yàn)樯類(lèi)?ài)他，通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)把威爾的“思維”整體傳送到了互聯(lián)網(wǎng)上，電影中腦機(jī)接口被抽象為數(shù)十個(gè)植入電極和一臺(tái)超級(jí)電腦。追求“蝴蝶一樣自由的思維”，甚至是所謂“永生”，是人類(lèi)美好的夢(mèng)想。站在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程的角度，今天我們離這個(gè)目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)，根本的問(wèn)題在于我們對(duì)大腦的工作機(jī)制，特別是信息編碼的規(guī)律知之甚少。即使我們研究清楚這些規(guī)律，也還需要生物醫(yī)學(xué)工程的方法體系將復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)制、轉(zhuǎn)移和保存下來(lái)。我們今天已經(jīng)大體知道了生命信息的編碼規(guī)律，但還是不能復(fù)制生命個(gè)體，要復(fù)制意識(shí)層面的個(gè)體，難度可想而知。但這個(gè)困難，無(wú)法阻擋科學(xué)家不斷研究和發(fā)展相關(guān)的方法和技術(shù)，并用它們來(lái)幫助大腦和身體損傷的病人，使他們從束縛身體的“潛水鐘”里解脫出來(lái)。

腦機(jī)接口也是一個(gè)很有爭(zhēng)議的話題，和“腦控”等話題一起常常被批評(píng)。其實(shí)這和“克隆人”、“基因編輯”等技術(shù)發(fā)展初期碰到的倫理問(wèn)題類(lèi)似，今天我們討論的技術(shù)，完全沒(méi)有達(dá)到讀取和操控思維的水平，當(dāng)前任何一種腦機(jī)接口技術(shù)都需要使用者非常主動(dòng)的配合，才能把一定程度的思維活動(dòng)信息讀取出來(lái)。至于思維活動(dòng)信息的寫(xiě)入，更是加倍的難。我們的思維活動(dòng)在時(shí)間上是連續(xù)的，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)還無(wú)法像基因信息那樣編輯。即使如此困難，仍有勇敢者不斷嘗試，比如MIT的Tonegawa實(shí)驗(yàn)室在過(guò)去三年中先后在轉(zhuǎn)基因小鼠身上，通過(guò)光遺傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)比特恐懼信息的刪除、修改和寫(xiě)入。他們希望用這種技術(shù)幫助人們消除病理性的恐懼，甚至治療老年癡呆癥患者的記憶障礙。這種技術(shù)在人腦上的應(yīng)用，還有很多難以逾越的技術(shù)障礙，并非如媒體所宣傳那樣近在眼前。

也許有人會(huì)問(wèn)，腦機(jī)接口技術(shù)最終會(huì)發(fā)展成什么水平？我沒(méi)有答案，但可以提供科幻作家劉慈欣版的回答。他在《三體》中提到一位面壁者希恩斯，他發(fā)明了“全息思維成像”和“思想鋼印”，實(shí)際上就是終極的腦機(jī)接口技術(shù)，既能精確讀出，也能精確寫(xiě)入，這大概可以作為腦機(jī)接口技術(shù)的理論終點(diǎn)，可以不斷接近但永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到......