作者：洪濤、奧托·麥克
日前，由實業家及工程師埃隆·馬斯克先生創立的腦機介面公司(Neuralink)已獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）的批准，將啟動首次腦植入物人體臨床研究。雖然腦機介面技術仍然面臨著許多挑戰和不確定性，包括該技術本身的複雜性、生物相容性、長期穩定性、倫理道德等方面。但近年來，腦機介面技術的概念在科技界，尤其是電子圈和醫療圈非常火爆；它已經成為當今世界最熱門的技術之一，同時也日益成為新時代科技的主要象徵。所以有關專家認為，腦機介面技術很可能會開啟一個新時代。
腦機介面(BCI)，即大腦、機器、介面，三者的結合，將大腦的資訊通過適當的介面技術來讀取，並操控外部設備的動作；這些外部設備可以是一個機器人，可以是虛擬鍵盤，可以是其他任何想要操控的東西。當前對腦機介面技術的開發已走出實驗室，並進入初步應用階段；如何讓這門技術服務於社會，推動它的廣泛應用，是當前研究的熱點。目前，腦機介面技術已經成為了全球各國科技競爭的戰略高地之一；這項技術會在人與機器之間架起橋樑，並最終做到人與人之間、人與機器之間自由傳輸思想、下載思維，從而創造巨大的經濟乃至社會的價值。
讓我們先來回顧一下腦機介面發展的簡要歷程。1929年德國精神病學家漢斯·貝格爾先生發表的第一篇有關腦電圖的文章，開啟了人類對大腦活動的研究歷史；1977年，美國加州大學洛杉磯分校的雅克·維達爾先生通過提取視覺誘發電位，完成了通過腦電對螢幕上游標樣物體的控制，這是腦機介面技術最早的實驗室實現形式，也意味著該技術從科學幻想階段進入了科學研究階段。從上個世紀90年代開始，腦機介面技術的研究不斷取得新進展和新成果；比如2014年，在巴西聖保羅世界盃開幕式上，癱瘓青年通過腦機介面技術踢出了當年世界盃的第一球，更是為腦機介面技術的研究與應用揭開了嶄新的一頁。
腦機介面技術是腦機結合的新發展方向，是實現人類與機器共生的技術；它從大腦直接提取信號，翻譯成控制命令來控制電腦或者機器人等外部設備。目前的腦機介面技術主要分為侵入式和非侵入式兩大類：前者為有創技術，需要把電極晶片植入大腦，或把電腦設備植入人體，實現混合的人類和電子系統；後者為無創技術，只要貼上電極晶片並從大腦外採集信號，就能夠實現對外部設備的控制。有關專家認為，這兩類都各有優劣。腦機介面技術的發展可以大致分成三個階段：第一個階段，指Interface，也即介面(目前還在初級階段)；第二個階段，指Interaction，也即交互；第三個階段，指Intelligence，即腦機智能。最終，腦機介面技術將增強人類的感知和社交能力。
腦機介面技術目前主要應用于醫療康復領域，它在未來將得到進一步發展，應用領域也在不斷擴大。腦機介面技術具有複雜成型、高精度、個性化等突出優勢，可為創新植入醫療器械的研發製造、體外組織模型或活體組織構建提供重要的研究和工程手段。前不久，馬斯克先生表示， Neuralink主要開發人腦與機器的介面，將人類與電腦連接起來。很快就完成人類大腦植入，原則上可以修復任何大腦問題，包括提升視力和聽力、恢復肢體功能、治療老年癡呆症和漸凍症等。他還表示，腦機介面技術有可能刺激人體內釋放出血清素、催產素等化學物質，發揮了神經元的作用。馬斯克先生的宣佈，徹底引爆了外界對於腦機介面技術的關注，也引發了許多大科技公司加入這一陣營。
腦機介面技術的原理基礎是神經科學。人類大腦中樞神經元膜電位的變化會產生峰電位或動作電位，神經細胞突觸間的化學物質傳遞也會使突觸後膜產生電信號變化，腦機介面技術正是通過採集這些不同位置的腦功能區與不同深度的電信號，通過預處理、特徵提取和模式識別，實現對大腦活動狀態或意圖的解碼，並可以把大腦活動狀態、解碼結果、與外界通信或控制結果回饋給用戶，進而調節其大腦活動以獲得更好的性能。侵入式腦機介面技術是未來的主要趨勢，因為所植入的器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號。當然，腦機介面技術最大的挑戰在於安全性、穩定性和可拉伸性；只有保證這些特點，腦機介面技術未來才會飛速發展。
眾所周知，大腦擁有至少1000億個神經元；這些神經元又與10^15個神經聯接，將複雜相連的神經首尾相接，總長度超過18萬公里。如此複雜的網路性讓人類擁有了智慧，探究大腦卻成為了全世界科學家努力抵達的“終極疆域”；隨著以人工智慧技術為核心的第四次技術革命深化發展，腦機介面技術已經成為美國、歐盟、日本、韓國、中國、以色列、澳大利亞等國家優先支援發展的創新型技術之一。例如，由美國佐治亞理工學院領銜的國際研究團隊，最近用腦科學技術和電子技術結合在一個腦機介面系統中，使用者可以通過想像一個動作，來無線控制輪椅或機械臂；該系統對使用者的主要優勢是柔軟舒適，並且沒有電線影響，具有靈活性和實用性。
腦機介面技術是多學科交叉融合的研究領域，涉及電子工程、醫療工程、人工智慧、材料科學、神經科學、認知科學、生物學、心理學等眾多學科，其發展得益於它門的進步。以神經科學為例，腦機介面技術正成為研究神經科學基本問題的重要途徑；基於運動範式的腦機介面技術有助於闡明感覺運動控制的神經機制，進而又可以依據新的科學發現來改進腦機介面技術的設計；通過腦機介面技術可以部分重塑大腦功能，為研究大腦可塑性、學習、記憶、情緒等問題的神經機理提供幫助。腦機介面技術也為認知科學和心理學研究提供了新的實驗工具和探索方法，在視覺、聽覺、言語、行為、想像、注意力、情感表達等研究中發揮重要作用。
腦機介面技術既能通過測量和提取大腦中樞神經系統信號，實現對外部設備的操控，也能通過外部設備對神經系統的刺激和神經回饋，實現對中樞神經系統的調控，使得大腦與外部設備之間形成具有神經回饋調控的閉環系統，實現人機或腦機的智慧融合，並使我們能夠更好地理解、增強、改善或恢復中樞神經系統及其與外界的交互作用，因而目前在醫療康復、航空航太、智慧家居、智慧商業、軍事、教育、娛樂等多個領域有著廣泛的應用。未來，腦機介面技術將應用到更多領域，其發展前景值得我們期待；就像國際知名學者周海中先生曾經說過的那樣：“在21世紀初葉，腦機結合時代即將到來；屆時，人類文明的進程將會大大加快。”可見，腦機介面技術可能會開啟一個新時代，讓人類與人工智慧達到前所未有的親密度和協作性。
文/洪濤、奧托·麥克（作者均為美國佐治亞理工學院博士後）
