当下，脑机接口逐渐走进公众视野。
其实，脑机接口背后的技术，已经存在了近百年。而作为人类理解自身的“终极疆域”——脑科学，世界各国早已将其上升为国家科技战略重点。瑞士、美国、日本、欧盟等国家和地区都在积极布局，推出了针对脑机技术的许多重大研发计划及投资项目。Meta、谷歌、亚马逊等商业巨头在脑机接口领域的成果，也不断涌现。
2021年5月20日，美国匹兹堡大学展示了28岁的内森科普兰参与脑机接口技术应用研究项目的过程。
脑机接口到底是一个什么技术？为何各国都要抢占“大脑制高点”？
文｜王乙雯 瞭望智库观察员
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1 当猴子用意念打字
2022年11月底，埃隆·马斯克在他的脑机接口公司Neuralink的发布会上，向公众展示了猴子用意念打字的场景。只见这只事先被植入了脑机接口芯片的猴子一边嘬着吸管（里面装着香蕉奶昔），一边用意念控制光标在虚拟键盘上移动，拼写出了“welcome to show and tell”（欢迎来到发布会），接着又打出了“can i please have snacks”（可以给我零食吗）。
于是，工作人员将电子菜单递了过去，猴子在上面的水果中迅速选择了葡萄。
【注：Neuralink在对猴子的训练中，采取的激励强化方式类似于条件反射，每当猴子参与了实验、完成了一次操作，就会得到香蕉奶昔等美食的奖励。】
Gif 来源：Neuralink
猴子这是学会英语了？其实它并不会拼写英文。而是电脑已经预先设置好了字母出现的顺序，并用黄色标亮以提示猴子用意念将光标移动到高亮字母上将其选中，然后依次拼出。
过去三年，这家脑机接口公司每年都会公布其技术的进展，实验对象也从小鼠、猪变成了与人类更接近的猴子。2021年，Neuralink公司还展示过猴子通过脑电波玩“意念乒乓球”游戏的场景。
马斯克还表示，他们下一步要开展人脑试验。他希望为大脑做的这个通用的“I/O接口”，可以帮助那些罹患渐冻症、中风后遗症等病症的人群。同时，他提到Neuralink还将推出脊髓植入物和眼部植入物，前者“能让脊髓断裂的人恢复全身功能”，后者“可以改善或恢复人类视力”。
不过在业界看来，Nueralink的进展并不算快的，因为该公司的人体试验迟迟未获得美国食品药品监督管理局（FDA）的许可。但它的竞争对手Synchron，在2021年就已经获得了FDA的人体试验许可，先后在四名澳大利亚瘫痪患者身上植入芯片设备。
另外，Nueralink还不断出现人事变动，目前8位创始人除了马斯克，就剩下1位工程师了。
这些好像都没有动摇马斯克跟脑机接口“死磕”的决心，不禁令人好奇，究竟是怎样的一种技术？
2 一个近百年的技术，迎来了爆发期
其实，“用意念打字”背后的脑机接口技术已经存在了近百年。
早在1924年，德国精神科医生汉斯·贝格尔（Hans Berger）就通过检测发现了脑电波，这意味着人的意识可以转化成电子信号被读取。此后，脑机接口技术的研究开始出现，但直到20世纪70年代才真正逐渐成形。
当时，美国加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔（Jacques Vidal）在科学文献中首次用到“脑机接口”这一术语。1977年，他通过提取视觉诱发电位，完成了通过脑电对屏幕上光标样物体的控制，这是脑机接口最早的实验室实现形式，也意味着该技术的发展由设想进入了研究阶段。
如何理解脑机接口的概念呢？要从我们的大脑谈起。它是人体的控制器，主要由神经元组成，数量多达860亿个，可以说是宇宙中最复杂的存在之一。大脑神经元对信息进行接收、处理和转发，神经元之间通过级联方式形成网络，这些网络进一步形成更复杂的交联网络。通常情况下，中枢神经系统的活动通过外周神经系统连接身体的感觉、运动、语言等信息收发器官，实现身体内部与外部环境的信息交互。
而脑机接口则由“脑” “机” “接口”组成，简称为BCI（brain-computer interfaces），指的是将人脑与外界具有处理或计算能力的设备（比如电脑或其他装置）实现连接，进行直接通信的方式。
我们的大脑复杂精密但又极度脆弱，一点疾病就可能让人束手无策。为了理解大脑，科学家们至少花了200年时间。据中国科学院院士、上海脑科学与类脑研究中心主任蒲慕明所述，现在我们对神经细胞如何处理信息了解得很清楚，但是对整个大脑复杂的网络结构了解仍不多。“到底是什么原理使得神经细胞在某种情况下发生某些反应，我们并不是很清楚；还有大脑中的信息处理，我们对各种情绪的感知，还有一些高等认知功能——思维、抉择甚至意识等，理解得比较粗浅。”
通过脑机接口技术，我们就可以全面地解析认识大脑了。同时，它也是神经修复领域最有潜力的诊疗工具，对于治疗神经功能损伤引发的疾病具有重要价值。
时间回到20世纪80年代至90年代，科学家们不仅研发了可行的脑机接口系统，还定义了几种主要范式，实现了脑机接口技术真正的破冰，这些范式至今仍在采用。
1988年，法韦尔（L.A.Farwell）和唐钦（E.Donchin）提出了著名的脑机接口范式——“P300拼写器”，该范式通过检测电位输出目标字符，帮助瘫痪病人与外界进行通信和交互。
1992年，埃里希·萨特（Erich E. Sutter）提出了基于视觉诱发电位的脑机接口系统。这是基于视觉诱发电位的脑机接口范式首次被应用于临床，帮助肌萎缩侧索硬化症（又称“渐冻症”）患者以高于10个单词/分钟的速度向外界传递信息。
1998年，埃默里大学的研究员菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）首次将脑机接口装备植入人体，使用无线双电极获得了高质量数据，实现了对电脑光标的控制……
进入21世纪以来，尤其是最近10年，在机器学习算法和脑电信号处理技术快速发展的背景下，脑机接口的技术迎来大爆发。大批多元化范式涌现，如视觉BCI、语言BCI、情感识别等；消费级脑电传感器和脑机接口系统问世，不仅在临床医学上的应用得到快速推进，非医学领域如情绪识别、虚拟现实和游戏等方向上也出现了尝试与探索。
3 脑机接口带来了哪些可能？
那么，脑机接口系统是如何运转的？从工作流程上看，它有四个核心部分：信号采集、信号处理、信号执行和神经反馈。
中国信息通信研究院的报告显示，脑机接口主要涉及6种关键技术：
脑机接口关键技术。来源：中国信息通信研究院《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告（2022年）》
按照信号采集的不同方式，脑机接口分为植入式和非植入式。植入式脑机接口，是指对深入到颅内以下的组织进行信号采集和记录，是一种有创的方式。优点是记录的信号时空分辨率高、信息量大，能够对复杂任务进行实时、精确控制。
非植入式脑机接口采取采用无创采集技术，在头皮表面或附近采集大脑响应信号。由于其安全无创得到广泛应用，但受限于脑外采集的强度与噪声干扰，目前可实现的交互性能有限。
威斯康星大学生物医学副教授、神经刺激设备研发人员基普·路德维格（Kip Ludwig）形容道，“这就像听两个人说话一样，一个是站在他们旁边听他们说话，一个是在房间外面听他们说话”。
那么，当下脑机接口的研究进展如何，又带来了哪些改变呢？
*用意念“手写”，准确率可达99%
2021年，来自斯坦福大学的研究者首次破解了“与手写笔迹相关”的大脑活动，其开发出的皮质内脑机接口系统，让研究受试者（因脊髓损失瘫痪）每分钟可以打出约90个字符，是以往利用此类脑机接口打字记录的两倍多，并且在线原始准确率达到了94.1%，自动更正后的离线准确率超过了99%。
以往，脑机接口的主要功能是恢复患者的“运动技能”，比如借助脑机接口设备操控机械臂抓取物品、移动电脑光标、点击字母输入等。而这位65岁的受试者“想象着用笔在纸上写字”，此时其大脑中植入的电极检测到了他试图写字的活动，算法会对每个字符对应的模式进行解码，并转化成可在屏幕上显示的文本。
Gif 来源：视频截图
相关论文登上Nature（《自然》）杂志，封面上还展示了用脑控“手写”出的字母。
Nature（《自然》）杂志封面 来源：Nature杂志官网截图
加州大学伯克利分校的神经工程师乔斯·卡梅纳（Jose Carmena）认为，“这项研究以及其他同类研究在帮助各类残疾患者方面具有很大潜力。尽管研究结果只是初步的，但依然是该领域的重大进步。”
*身穿“机械战甲”，瘫痪少年为世界杯开球
2014年，脑机接口领域的学术奠基人米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）为一位瘫痪少年做了一套“机械战甲”，让少年用大脑控制机械外肢，成功为巴西世界杯完成了开球。
Gif 来源：视频截图
早在1999年，米格尔就创造出了一台可以让人类大脑控制机器运动的设备。该系统可以从神经元中读取信号，并将其转换为机器指令，这个过程就好比人类大脑将信号先发送到脊髓，然后再到肌肉的方式。
2008年，米格尔团队成功完成一个非常著名的实验。他们在一只名为Idoya的成年雌性恒河猴大脑中植入了一次可以读取250-300个神经元信号的电极。当Idoya在杜克大学实验室的跑步机上跑步时，放置于日本的人形机器人开始接收信号，不久之后也开始进行运动。
2011年，米格尔推出了自己的“重拾行走计划”（Walk Again Project），之后得到了巴西政府的财政支持，再之后就有了巴西世界杯上，高位截瘫的男孩完成开球的动人一幕。
另外，在运动辅助上，还有一些非植入式脑机技术也取得了惊人的成果。2019年，BrainCo做出了全球第一款脑控机械义肢产品——智能仿生手，通过采集残疾人残肢末端的肌电神经电信号，用深度学习的算法来还原残疾人的运动意图，并让假肢执行相应的动作，做到“手随心动”。并且，用户不需要做任何的手术，直接在残臂上布上一群高通量的信息采集器，采集他的肌电和神经电。
*在大脑中植入电极后，失明患者重获视觉
因视神经病变破坏了连接眼睛和大脑的神经，42岁的戈麦斯失明，甚至感受不到一点光线，16年后，58岁的她通过新技术重获视觉——虽然看到的仅是黄白色的点和图案。
该系统由米格尔·埃尔南德斯大学神经工程系主任爱德华多·费尔南德斯（Eduardo Fernandez）带团队研发，包括一副经过改进的眼镜（该眼镜配备了微型相机，并且已连接到处理实时视频输入的计算机，并将其转换为电子信号），通过悬挂在天花板上的电缆将系统连接到嵌在戈麦斯头骨后部的端口，并与大脑后部视觉皮层中的100根电极植入物相连。借助该系统，戈麦斯能看到吸顶灯、人和印在纸上的字母、基本图形，甚至能玩一款简单小游戏。
大多数失明患者可以通过人工眼睛或视网膜的辅助恢复一定程度的视力，但对那些连接视网膜和视觉皮质的神经受到损害的患者而言，这种方法并不管用。费尔南德斯通过植入技术，直接向大脑传输信号，实现了突破。
*有望帮助航天员完成复杂的工作任务
随着载人航天的发展，航天员在太空的工作也日趋复杂。为了突破双手操作的限制，中国航天员已经开始试验一种脑机交互技术。
在神舟十一号载人飞行中，我们的航天员完成了人类历史上首次太空脑机交互试验。航天员戴上脑电帽后，还要涂上导电膏。当导电膏从脑电帽的小孔内注入以后，导电膏里的细粒就可以填充在接触面的缝隙里，相当于增加了采集脑电信号的触头和头皮的接触面积，可以让脑电帽更好地采集到头皮的脑电信号。准备好后，航天员完成了视觉刺激实验、运动想象实验，还通过意识控制拼写。
4 为何各国都在加速布局？
环顾当前世界，瑞士、美国、日本、欧盟等国家和地区都在积极布局脑机接口领域，推出了针对该技术的许多重大研发计划及投资项目。
早在2005年，瑞士科学家就提出过轰动一时的“蓝脑计划”——复制人类大脑。以“拆除之后再重建”的思路，逆向工程建立哺乳类动物的模拟脑。计划先对小鼠脑组织和整个小鼠大脑进行模拟和重建，最终实现人脑的数字重建和操控。
该计划称将为阿尔茨海默症等疾病带来革命性进展，并研发出更智能、认知能力更强的机器人，甚至帮助找到让计算机处理速度更快的方式。
在“蓝脑计划”的基础上，2013年，欧盟推出了由15个欧洲国家参与、预期10年的“人类脑计划”。该目标是开发信息和通信技术平台，神经科学家、大脑研究者、医学界人士、计算机科学家和机器人专家构建一个强大的工具集，帮助他们以更高的效率研究大脑。
资料显示，“人类脑计划”共有6个研究平台，它们有机地结合在一起：神经信息学平台提供有关大脑的最新数据；大脑模拟平台利用这些数据建立大脑模型；这些信息为神经机器人平台、神经形态计算平台以及高性能分析计算平台提供理论支持；最后5个平台的数据，都能为医疗信息学平台所用，增强科学家和医生对大脑疾病的理解，以寻找新的治疗方法。
美国在脑研究领域一直位居世界领先地位。2013年，时任总统奥巴马启动基于创新型神经技术的脑研究计划（Brain Research through Advancing Innovative Neuro-technologies，BRAIN），简称“脑研究计划”，其目标包括探索人类大脑工作机制、开发大脑不治之症的疗法等。数据显示，美国联邦政府2017财年预算中，“脑研究计划”的预算增至4.34亿美元，与2016财年相比增幅近45%，更是2014财年的4倍多。
据报道，在2013年初的国情咨文中，奥巴马就特别提到了人脑绘图计划：“现在是太空竞赛以来，美国的研发水平达到新高度的时候了”，一语道出背后动机——抢占脑科学研究战略制高点。
与之并行的是，美国国防高级研究计划局（DARPA）近年来也启动了数十项旨在提高对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目。
2014年，日本也启动了脑计划，包括三个主题：绘制非人灵长类（狨猴）大脑的结构和功能图谱、发展创新神经技术，以及人类大脑的结构功能重建和临床研究。
面对世界科技前沿，中国也在不断发力，从“十三五”规划到“十四五”规划，脑科学都被列为重点前沿科技项目。2021年，酝酿多年的“中国脑计划”正式启动。
蒲慕明院士在采访中指出，“中国脑计划”有三个方向，分别是作为认知功能的神经基础、重大脑疾病的诊断和诊疗方法，以及脑机智能技术。其中，脑机智能技术包括脑机接口和类脑研究。他同时认为，我们要“有所为，有所不为”，要“抓到重要领域，占一席之地”，还要在“有优先的领域先领先”。
中科院院士、神经生物学家、生理学家杨雄里也曾强调过一个科学界的共识——对脑的研究是自然科学的“终极疆域”。首先，我们对脑的了解仍然很肤浅，特别是对脑的高级功能的探索与解释；其次，脑和神经系统的疾病会影响人的思维等高级功能，从而影响整个社会的发展；最后，如何借鉴脑的工作原理来推动人工智能和其他学科的发展，也有很重要的意义。他指出，当前各国都在大力发展脑科学的研究，我们正面临严峻的挑战。
5 未来已来，在挑战中抢占先机
不过，国内外脑机接口研究领域均面临一些尚未突破的前沿问题。
首先，“读”信号难，“写”信号更难。脑机接口是信息的交互，信息不仅要输出，还要输入。这要求我们不仅要读懂脑信号，还要能进行干预和治疗。清华大学医学院教授洪波曾在演讲中指出，大家已经慢慢意识到，脑机互联最难的一件事情是大脑如何表达信息。以当前的技术，我们最多只能在特定脑区采集部分神经元信号，以小见大。科学研究对大脑神经的解码和编码机制的了解，还处在非常初级的阶段。
其次，在硬软件技术上仍需寻求突破。比如，对植入式脑机接口来说，虽然采集信号会更加精确且稳定，但其长期安全性和兼容性还有待验证，需要在临床上持续观察和优化。再如，脑机接口系统的带宽不足，难以支撑未来脑机之间高速通信的需求。正常人类大脑通过860亿个神经元控制人体的活动，而基于目前的脑机接口技术，最多只能同时记录大约1000个神经元的活动及信号发放。
同时，脑机接口还面对着安全性和伦理的挑战。如果某天我们的大脑可以被任意读取，又该如何保护数据和设备的安全性？如何保证技术不被滥用，保证技术的安全性与公平性，仍需要我们思考与完善。
我们也应看到，在生命科学和信息技术的相互启发与推动下，脑机接口不断取得突破。
比如在神经定位上，中国科学院院士、海南大学校长骆清铭带领团队开发了一种被称为显微光学切片断层成像（MOST）的技术，从介观层面来观察大脑，能够对脑功能的基本单元神经元细胞的完整形态及其组成的全脑网络联接进行清晰成像。该技术已在国内外十余家神经科学研究单位应用，包括美国的艾伦脑科学研究所、冷泉港实验室都在申请用MOST技术开展全脑细胞类型普查研究。骆清铭表示，“目前全脑介观神经联接图谱计划已经开始起跑，中国有望在这一大科学领域拔得头筹，跑在世界前列。”
再如柔性电极的应用。哈佛大学维斯研究所（HWI）和约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家开发出了一种基于水凝胶的新型柔性电极。这种电极具有良好的组织贴合性，所需电压较低，且可将损伤器官的风险降至最低。相关论文已经刊登在《自然·纳米技术》上。
我国在柔性电极上也频频创新，中科院上海微系统所副所长陶虎带领的团队独辟蹊径，巧用蚕丝蛋白，开发出了“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”，使得脑机接口不再是“往豆腐里插筷子”，而是引入一根软到难以损伤脑组织的轻柔丝线。
陶虎曾撰文表示，“脑机接口是下一个生命科学和信息技术交叉融合（BTIT）的主战场”，涉及微电子、神经科学、材料学、机器人、临床医学等多个学科，产学研医交叉融合、环环相扣。
未来已来，人类将被这种新兴的、具有潜在破坏性的技术赋予怎样的能量，值得关注。
参考资料：
1.脑机接口总体愿景与关键技术研究报告|中国信息通信研究院.2022.11
2.当猴子会意念打字后，马斯克又要“整活”了|果壳.2022.12.01
3.脑机接口技术如何改变人类未来|侯林.科普时报.2022.12.09
4.蒲慕明院士：人类对大脑了解还很粗浅，脑科学未来有三大发展方向|格致论道.2019.06.22
5.杨雄里：中国发展“脑科学计划”需要只争朝夕|广州日报.2018.04.24
6.中国脑计划”已启动，建立中国人脑健康多维度大数据库|光明网.2021.10.28
7.“中国脑计划”：向最后的前沿进发|央视网.2022.08.13
8.从医学到脑机接口，他用实践证明“意念”控制机器人的可能|DeepTech深科技.2020.10.27
9.陆林院士：国内外脑科学计划研究现状及发展态势|医学界.2022.12.10
10骆清铭院士：如何给大脑神经精准定位？中国开始领跑|第一财经.2022.11.29
11.从科幻到现实，聚焦脑机接口的核心技术与突破|中国网.2022.07.11
12.“意念打字”亮相，未来或许真能靠“想”搞定一切|科技日报.2020.11.27
13.脑机接口迎来新突破？失明患者在大脑中植入电极后重见光明|36氪.2020.02.10
14脑机接口：想象中的未来何时到来？|知识分子.2021.05.18
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