如果腦機接口變成現(xiàn)實，所有設(shè)備都會更智能，智能的內(nèi)涵也將與現(xiàn)在大為不同。

腦機接口并不像想象的那樣遙不可及。目前，全世界已經(jīng)有30萬人使用了人工耳蝸，這種聽力設(shè)備并不直接和神經(jīng)產(chǎn)生聯(lián)系，但它們將接收到的聲音轉(zhuǎn)換成電信號后會將電信號傳送給耳蝸中的電極，電極會刺激耳蝸神經(jīng)從而讓大腦感覺到聽到了聲音——盡管后者非常粗糙。

如果探究得再詳細一點，腦機接口的歷史就更加久遠了。早在1969年，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院就開始利用猴子進行腦電生物反饋研究。到了上世紀(jì)90年代，后來在巴西世界杯開幕式上利用人工外骨骼技術(shù)幫助殘疾人開球的尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）,完成了對老鼠運動腦電波的初步研究后，在夜猴內(nèi)實現(xiàn)了提取皮層運動神經(jīng)元信號控制機器手臂的實驗。

從那時開始，腦機接口開始成為神經(jīng)科學(xué)的最前沿領(lǐng)域?？紤]到這個領(lǐng)域和信息技術(shù)之間密不可分的關(guān)系以及人類大腦在自然科學(xué)研究中的卓越地位，所有人都知道，這就是神經(jīng)科學(xué)和信息技術(shù)最完美的交叉領(lǐng)域，也是最有可能在未來引導(dǎo)技術(shù)變革的前沿技術(shù)領(lǐng)域。

神經(jīng)基礎(chǔ)

神經(jīng)元的放電是構(gòu)建智慧的基礎(chǔ)，將采集自人腦內(nèi)的動作電位組合起來，就可以還原出每一段記憶、支配每一個動作、組織每一個想法。不過，要做到這一點絕非易事。成年人大腦中有大約850億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元都會通過突觸與超過10000個同類細胞建立連接。

以往，人們只能從大腦外部讀取腦電信號，這方面最好的辦法就是腦電圖。但這種方法既不便捷也不精確，人們要測腦電圖就需要戴上特殊的帽子，許多電極也同時被壓在頭皮上。為了提升測試的效果，研究人員還會故意將頭皮弄得較為粗糙，并在頭皮上涂抹一層導(dǎo)電膠。之后，每個電極會探測到數(shù)千個神經(jīng)元被激活時產(chǎn)生的電流，并在顯示器上顯示出來。但令人遺憾的是，這種方法只能探測到電極覆蓋位置的腦電活動，對大腦深部的情況仍一無所知。

這是因為腦電信號極度龐雜且非常微弱，肌肉因素和環(huán)境電流都會對其造成干擾。因此，只有距離大腦皮層足夠近才能識別出部分非常強烈的信號，例如當(dāng)大腦發(fā)現(xiàn)某種錯誤時就會釋放出非常強烈的電流，人在清醒、疲勞、困倦進而專注度下降時也會看到腦電強度的迅速變化，現(xiàn)在已經(jīng)有人利用這項技術(shù)提醒疲勞的醫(yī)生去休息。后來，科學(xué)家開始構(gòu)想出腦機接口這樣的概念，通過一種獨特設(shè)備連接計算機和大腦，使人類可以從外部調(diào)控人的生理活動。

幾年前，這種想法開始變成現(xiàn)實：從2004年開始，已經(jīng)有13位癱瘓病人被植入了一種名為BrainGate的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的核心是一種植入到運動皮層的微小電極陣列。如果有人想移動鼠標(biāo)，這些電極就會將信號傳遞到解碼器上，后者將這些信號放大后再轉(zhuǎn)換成其他信號，從而帶動外部的機械手臂去操作鼠標(biāo)。在過去的14年時間中，這套系統(tǒng)讓一位中風(fēng)婦女在沒有任何照護措施的情況下喝到了八年來的第一口咖啡，還讓一位癱瘓者以每分鐘八個字的速度打字，并讓一位在交通事故中嚴(yán)重受傷的人幾年來第一次靠自己的力量吃了飯。

相同時間內(nèi)，腦機接口還取得了一系列突飛猛進的成績。2009年，南加州大學(xué)的科學(xué)家研制出能夠模擬海馬體功能的神經(jīng)芯片，并將這種芯片植入大鼠腦內(nèi)使其成為高級腦功能假體。2016年12月，明尼蘇達大學(xué)的團隊讓普通人在沒有植入大腦電極的情況下，只憑借“意念”就在三維空間內(nèi)實現(xiàn)了包括操縱機器臂抓取體和控制飛行器在內(nèi)的物體控制。到了2017年，斯坦福大學(xué)科學(xué)家又讓幾個截癱患者用意念實現(xiàn)了每分鐘39個字母的輸入速度。

當(dāng)然，所有這些都還是不具有普遍意義的個案。要想讓腦機接口變成現(xiàn)實，科學(xué)家還有太多的路要走。首當(dāng)其沖，他們必須開發(fā)出足夠優(yōu)秀的設(shè)備。這些設(shè)備能幫助他們接近大腦皮層，捕獲并分析那里的電信號，而這是腦機接口領(lǐng)域所有工作的基礎(chǔ)。

兩條路徑

目前，打造更好大腦植入體的工作有兩類，即小型導(dǎo)線電極和非電氣的新型傳感元器件。

當(dāng)前相對成熟的方法當(dāng)然還是小型導(dǎo)線電極，這種方法通過在不同的腦區(qū)接入可以記錄神經(jīng)元活動的電極來探知大腦的活動情況。盡管聽起來非常簡單，但這種方法其實面臨著幾個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：首先是設(shè)備的集成，要搜集上百萬個神經(jīng)元的電信號就必須將數(shù)以萬計的電極或者數(shù)以百萬計的傳感器以及相同數(shù)量的放大器集成在一平方厘米的面積上，這在當(dāng)代工業(yè)界仍然是個不小的挑戰(zhàn)；其次是設(shè)備的供電，電池供電肯定是不合適的，因為電池的體積太大且電解液泄露的風(fēng)險也太高，但科學(xué)家還沒有找到可以真正解決這個問題的想法；最后是數(shù)據(jù)的傳輸，同步掃描超過100萬個神經(jīng)元意味著每秒采集到的數(shù)據(jù)將超過24GB——大約相當(dāng)于四部超高清電影，傳輸這些數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量的熱，這意味著這些數(shù)據(jù)將無法在顱內(nèi)存儲或者借助無線技術(shù)傳輸出來，科學(xué)家必須找到理想的腦信號數(shù)據(jù)壓縮方式。

更精巧的電傳感元器件因此受到了更多關(guān)注。這方面的領(lǐng)導(dǎo)者在布朗大學(xué)，那里的科學(xué)家發(fā)明出一種被稱為“神經(jīng)顆?！钡脑骷?。這種繼承了放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)傳輸中繼器的元器件只有白糖粉末大小，可以撒在頭皮上，成千上萬粒同時使用也不會引起明顯的不適；該領(lǐng)域另一個重要領(lǐng)導(dǎo)者是哈佛大學(xué)，那里的科學(xué)家正在研制一種可以模糊神經(jīng)與電子器件之間界限的新型網(wǎng)狀組織，這種由柔性材料構(gòu)成的網(wǎng)狀組織可以模擬神經(jīng)組織富有彈性且柔軟的狀態(tài)，并允許神經(jīng)元和其他細胞在其內(nèi)部生長，因此可以避免大腦的排異反應(yīng)。

與這些元器件相比，非電傳感元器件概念更新，對人體的傷害更小，但它們的研發(fā)難度也更大。例如，科學(xué)家在考慮利用弱磁場、光遺傳學(xué)和超聲波的方法記錄腦電活動。但由于科學(xué)家尚不清楚磁場、光和超聲波會對大腦產(chǎn)生什么樣的影響，這一方向的進展其實很緩慢。

例如，科學(xué)界普遍認為功能性近紅外光譜技術(shù)對無創(chuàng)傷腦電探測非常有價值。利用這種技術(shù)時，向大腦投放的光線要么被吸收，要么被反射回來，從而會形成一個關(guān)于大腦神經(jīng)活動的影像?？蛇@種技術(shù)測量的指標(biāo)其實是血氧濃度，而非神經(jīng)激活程度，這種技術(shù)并不能直接反應(yīng)神經(jīng)信號的狀況。又由于光線會在組織細胞中分散，信號確切源頭也很難被識別出來。

今年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）將向六個研究機構(gòu)分配6500萬美元經(jīng)費，以研究出可以創(chuàng)建出更高分辨率腦電信號的植入式腦機接口。美國國防部高級研究計劃局為這些企業(yè)設(shè)置了一個相當(dāng)宏大的目標(biāo)，他們希望這些研究機構(gòu)盡快開發(fā)出可以掃描100萬個神經(jīng)元的植入式腦機接口，并在2021年之前開展初步的人類實驗，還要在長期設(shè)計出安全、小巧、無線且耐用的高級腦機接口，從而讓這些設(shè)備在潮濕、炎熱、多鹽、敏感的大腦邊緣工作。

工業(yè)界也在加大對腦機接口的投資。埃隆·馬斯克（Elon Musk）的Nurolink寄希望于在八年時間內(nèi)開發(fā)出普通人都可以使用的腦機接口；Facebook也啟動了一個“無聲語言”計劃，以支持科學(xué)家開發(fā)出一種腦機接口，幫助殘障人士實現(xiàn)每分鐘 100 個單詞的意念打字。

盡管投入和關(guān)注度都在增加，但即便是對這一領(lǐng)域最樂觀的人也知道，無論是怎樣的技術(shù)路線，要想清晰地感知并利用這些腦電信號、同時又不對大腦的物理結(jié)構(gòu)造成負面影響都是非常困難的事情，這是一條荊棘密布、因而每次進步都極為艱難和寶貴的道路。

障礙重重

要想讓這種設(shè)想真的變成可以拯救大多數(shù)患者生活的創(chuàng)新，工程師和科學(xué)家們還需要基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的大量突破來支撐。例如，加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們已經(jīng)可以通過對神經(jīng)信號的大量檢測準(zhǔn)確預(yù)測出斑馬雀接下來會發(fā)出什么樣的叫聲，加州理工學(xué)院的科學(xué)家們也已經(jīng)揭示出獼猴如何編碼它所看到人臉的50個最顯著的特征——例如膚色和瞳距。

如果進一步細化，科學(xué)家就會發(fā)現(xiàn)工作量非常巨大。例如，鼠標(biāo)的移動只需要兩個自由度，但靈巧地操作人的手需要27個自由度；視覺皮層的研究人員通常是在環(huán)境靜止的情況下開展相關(guān)研究，但真實世界中的背景幾乎一直處在或者緩慢或者迅速的變動之中。

這意味著人類距離應(yīng)用腦機接口仍有非常大的距離。漫長的投資回報期和深奧的前沿科技的結(jié)合足以嚇退大多數(shù)投資人，設(shè)計更好的界面也需要諸多學(xué)科通力合作，而這，和之前強調(diào)細化的科學(xué)發(fā)展方向背道而馳。毋庸置疑，這些在一定程度上，都會阻礙相關(guān)研究的發(fā)展。

除此之外，工程技術(shù)領(lǐng)域還有很多問題需要解決。目前的腦機接口需要讓電線穿過頭骨和頭皮，并將傳感器固定在需要搜集信號的腦區(qū)。但在這個過程中，人體極易發(fā)生感染，植入物在腦區(qū)內(nèi)的輕微移動也可能損害它正在記錄的細胞，大腦對異物的免疫反應(yīng)還會在電極周圍產(chǎn)生瘢痕，讓這些電極或者傳感器的效果迅速變差。更關(guān)鍵的一個問題是：目前的傳感器只能記錄非常少的部分神經(jīng)元，每個傳感器一次可以記錄的神經(jīng)元數(shù)量要經(jīng)過七年左右的時間才能翻一番，這個與摩爾定律相去甚遠的速度也意味著記錄大腦的活動還遠未完成。

到底要多靠近具體神經(jīng)元是腦機接口制作過程中的另一個關(guān)鍵問題。對于患有帕金森等運動障礙疾病的患者來說，會有相當(dāng)大的組織區(qū)域使用面條般粗細的導(dǎo)線和大電極，記錄神經(jīng)元集合的活動可以用于解碼類似抓取某種物體這樣相對簡單的運動信號。但要生成可以控制某個手指的精細信號，問題就會難上很多，這是因為神經(jīng)元通常會集合起來放電，匯總這些信號時肯定會犧牲掉很多細節(jié)，這也就需要電極或者傳感器要距離相應(yīng)腦區(qū)盡可能的近。

科學(xué)似乎陷入了一個困境：要獲得腦信號就必須盡可能接近人腦，但那又意味著對腦不可避免的破壞。所以，在符合預(yù)期的腦機接口誕生前，科學(xué)也許需要一次偉大的創(chuàng)新，讓機器學(xué)習(xí)和大腦的可塑性真正結(jié)合起來。當(dāng)然，他們在這中間將面臨效率和道德的巨大挑戰(zhàn)。