腦機接口(Brain Computer Interface，BCI [4] )，指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實早已有之，但直到上世紀(jì)九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。

腦機接口，有時也稱作“大腦端口”direct neural interface或者“腦機融合感知”brain-machine interface，它是在人或動物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送信號到腦(例如視頻重建)，但不能同時發(fā)送和接收信號。而雙向腦機接口允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。 [2] 在該定義中，“腦”一詞意指有機生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”。“機”意指任何處理或計算的設(shè)備，其形式可以從簡單電路到硅芯片。對腦機接口的研究已持續(xù)了超過40年了。

20世紀(jì)90年代中期以來，從實驗中獲得的此類知識顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎(chǔ)上，應(yīng)用于人體的早期植入設(shè)備被設(shè)計及制造出來，用于恢復(fù)損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機接口相適應(yīng)，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識的進(jìn)展之下，腦機接口研究的先驅(qū)者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口，而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。這種技術(shù)在以前還只存在于科幻小說之中。

神經(jīng)修復(fù)是神經(jīng)科學(xué)中和神經(jīng)的修復(fù)相關(guān)的領(lǐng)域，即使用人工裝置(假體)替換掉原有功能已削弱的部分神經(jīng)或感覺器官。神經(jīng)假體最廣泛的應(yīng)用是人工耳蝸，截止到2006年世界上已有大約十萬人植入。也有一些神經(jīng)假體是用于恢復(fù)視力的，如人工視網(wǎng)膜，迄今在這方面的工作僅僅局限于將人工裝置直接植入腦部。腦機接口和神經(jīng)修復(fù)的區(qū)別主要從字面上就可見其端倪：“神經(jīng)修復(fù)”通常指臨床上使用的裝置，而許多現(xiàn)有的腦機接口仍然是實驗性質(zhì)的。實踐上講神經(jīng)假體可以和神經(jīng)系統(tǒng)的任意部分相連接，如外周神經(jīng)系統(tǒng);而“腦機接口”通常指一類范圍更窄的直接與腦相連接的系統(tǒng)。

二十一世紀(jì)，在人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等社會發(fā)展的大方向下，各國紛紛啟動有關(guān)腦科學(xué)的研究計劃。人類對大腦的結(jié)構(gòu)和功能開發(fā)，有了實質(zhì)進(jìn)步。

國家科技創(chuàng)新 2030 重大項目已將“腦科學(xué)與類腦研究”列入啟動日程。時值“十四五”時期，我國啟動腦科學(xué)領(lǐng)域的諸多新課題。腦科學(xué)研究以及人工智能研究與應(yīng)用，是近年來國家大力倡導(dǎo)的重點產(chǎn)業(yè)與戰(zhàn)略發(fā)展方向。

在政策趨向與技術(shù)能力助力下，視友科技腦科學(xué)研究實現(xiàn)了更豐富、多元的社會、生活場景落地，品牌實力日漸凸顯。目前，公司所研發(fā)產(chǎn)品覆蓋腦機交互、腦機智能、腦健康、兒童青少年腦智評估及提升平臺、腦電認(rèn)知大數(shù)據(jù)平臺、腦電AI算法、神經(jīng)營銷、腦電生物反饋、科教展覽、娛樂等應(yīng)用領(lǐng)域。

那么人腦真的能與機器相連嗎?腦機接口到底是什么，那些神乎其神的功能最終真的能實現(xiàn)嗎?一提到腦機接口，我們馬上就會聯(lián)想到擁有鋼鐵之軀的未來戰(zhàn)士，又或者只要在大腦上插根線就能把所需要的知識全部輸送到大腦中，讓我們免去學(xué)習(xí)之苦。沒錯，這些功能的確是腦機接口的發(fā)展方向，只不過現(xiàn)在的腦機接口距離這一步還差著十萬八千里，其實說十萬八千里還是低調(diào)了，事實上這些功能最終能否實現(xiàn)，現(xiàn)在還根本無法做出判斷。

非侵入式的腦機接口更容易被人所接受，嚴(yán)格來講這根本就不能算是接口，它其實就是一個頭盔，只不過這個頭盔并不是由鋼鐵構(gòu)成，而是由大量的信號采集器編織而成。我們的大腦在活動的時候，神經(jīng)元會發(fā)出電磁波，而這個信號采集頭盔就可以捕捉這些信號，然后再將這些信號傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備上進(jìn)行解析。通過這樣一個信號采集頭盔，我們就能達(dá)到用思維來控制外部設(shè)備的目的。不過這種非侵入式的腦機接駁裝置具有很大的局限性，它所接收到的信號是非常微弱的，而且也不夠精準(zhǔn)，注定無法完美實現(xiàn)人機融合。

人的大腦與身體形成了非常緊密的關(guān)系，大腦的想法要靠身體去執(zhí)行。但對于癱瘓患者來說，這件事情變得非常困難或者不再可能。不過，在有了腦機接口之后，癱瘓病人又重新看到了希望。甚至對于健全人來說，腦機接口還讓自己有了成為超人的可能。不過，這種技術(shù)也會引發(fā)大規(guī)模的道德危機。

2006 年 10 月 10 日晚，丹尼斯·德格雷(Dennis DeGray)的靈與肉幾乎分離了。出去釣了一天的魚之后，他回到加州太平洋叢林市的家中，然后意識到自己還沒有倒垃圾。當(dāng)時雨下得很大，所以他決定兩手提著袋子從家門口沖到外面的垃圾桶那里。結(jié)果在跑的時候因為踩到了橡樹下的一塊黑色霉菌，他滑倒了，重重地摔到了下巴，在頸椎的第二和第三根椎骨之間發(fā)生了斷裂。

在康復(fù)期間，當(dāng)時 53 歲的德格雷從醫(yī)生處得知，他的頸骨以下已永久癱瘓。除了退化性抽搐以外，他的軀干或四肢都已經(jīng)不能動了。他告訴我：“我受盡了折磨，又不能上呼吸機?！笔鹿拾l(fā)生之后的幾年時間里，他“只能躺著看歷史頻道?！迸邮茏约菏軗p傷的現(xiàn)實。

一段時間之后，在一次干細(xì)胞研究的籌款活動中，他遇到了斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科教授杰米·亨德森(Jaimie Henderson)。兩人談起了機器人，這是小時候就在家里的機械車間轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去的德格雷一直以來十分感興趣的話題。根據(jù)德格雷的回憶，亨德森的一個問題把他給迷住了：你想開無人機嗎?

亨德森說，他和同事一直都在開發(fā)腦機接口：將人的大腦與計算機、機器人肢體或無人機外部設(shè)備進(jìn)行實驗性的連接，然后人就可以用意念來控制這些設(shè)備。德格雷非?？释麉⑴c這樣的實驗，于是在等待實驗開放以及簽署必要的許可期間，他搬到了門洛帕克，以便離斯坦福更近。 2016 年夏天，亨德森掀開了德格雷的頭骨，裸露出了他的皮層，也就是大腦薄薄的、有皺紋的最外層，然后往里面植入了兩個 4 毫米 x 4 毫米的電極陣列，樣子跟微型針床有點類似。每個陣列均配置了 100 個微小的金屬突起，它們共同記錄了隨運動皮層約幾百個神經(jīng)元一起涌動的電脈沖，而運動皮層這個大腦區(qū)域與自主運動有關(guān)。

經(jīng)過了一段恢復(fù)期之后，亨德森的幾個合作者來到德格雷家中，把他安排在電腦屏幕前。屏幕上顯示著一個由八個 25 美分硬幣大小的白點組成的圓環(huán)，而這些白點會輪流發(fā)出橙色的光。德格雷的任務(wù)是只靠自己的意念將光標(biāo)移向發(fā)光的點。而科學(xué)家們則將線纜連接到德格雷頭部突出的金屬基座上，將記錄在他大腦里面的電信號傳輸給解碼器：也就是附近一個由運行機器學(xué)習(xí)算法的計算機組成網(wǎng)絡(luò)。

這些算法的開發(fā)者是神經(jīng)科學(xué)博士生大衛(wèi)·布萊德曼(David Brandman)，他通過 BrainGate 這個聯(lián)盟與斯坦福團(tuán)隊合作。他設(shè)計的算法可以快速地將不同的神經(jīng)活動模式與相關(guān)的預(yù)期手部運動聯(lián)系起來，而且每兩到三秒就更新一次，理論上可以讓這種關(guān)聯(lián)逐步變得更加準(zhǔn)確。如果說德格雷頭骨里面的神經(jīng)元就像鋼琴上面的音符的話，那么他的獨特意圖就類似于獨特的音樂作品。比方說，舉起手的意圖會與一段神經(jīng)旋律吻合，試圖將手向右移動又會對應(yīng)另一段神經(jīng)旋律。當(dāng)解碼器學(xué)會識別德格雷想要做出的移動后，就會發(fā)送指令把光標(biāo)移動到相應(yīng)的方向。

布萊德曼讓德格雷想象一個可以讓他直觀地控制光標(biāo)的動作。德格雷盯著電腦屏幕，腦子開始琢磨該怎么開始，他想起了電影《人鬼情未了》里面的一慕，已經(jīng)死去的薩姆(Sam Wheat，帕特里克·斯威茲飾)用看不見的力量讓一枚硬幣滾動，向他的女友證明了自己的幽靈還在。德格雷于是想象自己用手指去推動光標(biāo)，就好像它是那枚硬幣，用意志力推動它朝目標(biāo)挪動。盡管他的手無法動彈，但他還是用盡了全力去這么做。 布萊德曼驚喜地發(fā)現(xiàn)解碼器的運算速度如他所愿。在 37 秒之內(nèi)，德格雷控制光標(biāo)到達(dá)了第一個發(fā)光點。幾分鐘之內(nèi)，他已經(jīng)連續(xù)命中了數(shù)十個目標(biāo)。

作為長期臨床研究的一部分，全世界只有幾十個人的皮層組織嵌入了神經(jīng)接口。 德格雷現(xiàn)在是當(dāng)中最有經(jīng)驗也是最敬業(yè)的人之一。自參與試驗以來，他已經(jīng)花費了 1800 多個小時，接受過近 400 次的訓(xùn)練課程，參與用意念去控制各種形式的技術(shù)。他玩過電子游戲，操作過機器手臂，發(fā)過短信和電子郵件，在亞馬遜上買過東西，甚至還開過無人機，盡管目前只是操控模擬器，但在所有這些事情的過程中他都沒有動過一根手指。 德格雷和類似的志愿者正在一起探索一項前沿技術(shù)，如果成功，它有可能從根本上改變?nèi)祟惻c機器的交互方式。

自 1950 年代以來，科學(xué)家、工程師就一直在建立腦機接口并進(jìn)行研究。鑒于大腦的行為有多少仍然是個謎，尤其是我們?nèi)圆磺宄@三磅重的電果凍是如何產(chǎn)生意識的，總體來看，這些系統(tǒng)的成就頗為顯著。癱瘓個體通過神經(jīng)接口已經(jīng)學(xué)會了在數(shù)字鍵盤上演奏簡單的曲子，能夠控制外骨骼足夠靈巧地操縱機器假肢喝一瓶水。今年 3 月，一支國際科學(xué)家團(tuán)隊曾發(fā)表了一項研究，記錄了全身癱瘓的患者首次通過腦機接口靠一個一個字母地造句來表達(dá)自身需求。

神經(jīng)接口還可以在大腦與機器之間建立雙向的溝通路徑。Nathan Copeland曾在一場車禍中造成胸部以下癱瘓，但2016年的時候，他不僅能夠用機械手與奧巴馬總統(tǒng)拳對拳，假肢回傳信號到他大腦的電極，刺激到他的感覺皮層時，他還得以親身體驗到了觸感。通過大腦成像技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，科學(xué)家們還破譯并部分重建了人們腦海形成的圖像，產(chǎn)生了類似于風(fēng)化的寶麗來或斑駁油畫的效果。

大多數(shù)開發(fā)腦機接口的研究人員表示，他們主要感興趣的是治療應(yīng)用，也就是恢復(fù)癱瘓或其他殘疾人的運動和交流。不過，這種技術(shù)的潛力顯而易見，加上越來越多的知名初創(chuàng)企業(yè)也加入了研發(fā)的行列，這些都表明了存在擴大采用的可能性：在未來，除了恢復(fù)失去的能力以外，神經(jīng)接口還會增強人們的先天能力，并賦予他們新的能力。

隨著科學(xué)技術(shù)的升級，科學(xué)家們開始運用更先進(jìn)的技術(shù)，比如通過激光術(shù)、超聲波、電磁脈沖、輕度的溝通、電荷直流電影響力等去研究怎么控制我們?nèi)祟惖拇竽X，特斯拉的創(chuàng)始人馬斯克與Facebook的CEO扎克伯格是這個研討范疇的引領(lǐng)者，他們在腦機接口技能的開發(fā)上投入了上億美元，扎克伯格更是在2020年提出元宇宙將會顛覆未來的人類社會。

隨著資本的涌入，人們也會預(yù)測此項技術(shù)的危險性，未來機器會不會徹底的控制我們?nèi)祟惖拇竽X，讓我們?nèi)祟惓撩杂谔摂M的網(wǎng)絡(luò)世界，也就是元宇宙里呢?

6月25日，我國自主研發(fā)的國內(nèi)首款介入式腦機接口在北京成功完成動物試驗。此次試驗的介入式腦機接口由南開大學(xué)人工智能學(xué)院教授段峰科研團(tuán)隊牽頭，與上海心瑋醫(yī)療科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)。

據(jù)介紹，本次試驗是國內(nèi)首次在羊腦內(nèi)實現(xiàn)介入式腦機接口，突破了介入式腦電電極、血管內(nèi)腦電采集等核心技術(shù)，完成了支架、導(dǎo)管等神經(jīng)介入器械產(chǎn)品研制，解決了傳統(tǒng)侵入式腦機接口對腦區(qū)造成不可逆損傷的弊端，填補了國內(nèi)介入式腦機接口領(lǐng)域空白，對推動我國腦科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

腦機接口技術(shù)可以在不依賴外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織的情況下，把大腦皮層的信號活動直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C指令，控制外界設(shè)備。對嚴(yán)重運動功能障礙的患者(腦卒中、漸凍癥等)來說，腦機接口能夠幫助他們獨立控制外界設(shè)備，恢復(fù)部分運動能力，提高生活質(zhì)量。

此次試驗的腦電極植入術(shù)，由河北工業(yè)大學(xué)教授張建華科研團(tuán)隊研發(fā)的介入機器人輔助完成。機器人采用主從操作方式，由宣武醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師馬永杰在主端操作，成功完成了部分血管造影。試驗最終在羊腦血管內(nèi)完成了傳感器植入，并成功采集到了腦電信號。

段峰介紹，人體內(nèi)血管的支架經(jīng)過長期臨床應(yīng)用及研究，已擁有較高安全性。通過介入式腦機接口這一方式沿血管植入傳感器，可以連通并激活大腦區(qū)域，無需侵入大腦即可獲得腦電信息。此次在動物腦內(nèi)開展的介入式腦機試驗研究，對改善因腦、脊髓、周圍神經(jīng)或肌肉功能障礙導(dǎo)致嚴(yán)重癱瘓患者的功能獨立性，以及治療癲癇、睡眠障礙、帕金森病等疾病具有重要意義，未來市場前景廣闊。