“你如何保障自己不是身在这种困境之中？”
希拉里·普特南在《理性，真理与历史》这本著作中所提出的“缸中之脑”假想，即当大脑被放入缸中，由计算机来输入各类感知与记忆。而开头所发出的提问，正是假想想要解决的基本问题，在学者成功将人们关于世界与自身存在的思考，延伸到了存在技术实现可能性的知识论学说后，1999年黑客帝国系列作为科幻影视作品，以电影的方式直观展示出了一个关于虚拟世界的究极想象。
抛开虚实之间的哲学思辨，电影中所展示的脑机技术，同时也是“缸中之脑”假想的技术基础，其实一直是人类追逐的核心科技命题。
我们离“未来”到底还有多远？为此，36氪携手NEXTA创新实验室，邀请了西安臻泰智能科技有限公司的创始人兼CEO王浩冲参与「NEXTA创新夜谈」栏目，展示脑机（BCI）技术的前世今生。
西安臻泰智能科技有限公司创始人兼CEO王浩冲
一、脑机发展的技术基底
脑机的一切发展，无论是未来实现个体记忆的上传与下载，亦或黑客帝国中的外部控制设备的畅想，归根到底建立在对于大脑这一核心器官的深入了解。
脑科学有一个集体认知是，人们对于大脑的了解并不深入。大脑神经拥有近千亿个神经元但目前能够了解读的神经元不超过两千个。因此即使是最为前沿的脑科学研究，都无法真正完全清楚大脑的记忆机制、运动反射、神经控制的细节，只能从大致的功能分区进行了解。
在历代解剖学家与神经学家的探索，各个大脑部分的功能已经有了明显的分类。额叶部分，即承担着理解能力和动觉处理，顶叶则对触觉和空间感觉负责，枕叶代表着视觉能力，颞叶则管理者听觉与语言系统。一种共识得到了建立：人类大脑有明确的功能分区，各个功能分区相互协作，形成一个有机的整体，且大脑处理感知信息的适合，是多种模块并行工作。
研究中发现的大脑神奇之处在于，它可以捕捉到作为主体的自己感知不到一些外部刺激，并在脑电波中去反应。以视觉举例，正常灯管的工作方式，其实是是交流电五十赫兹的一个闪烁，但是人们无法分辨，因为人眼的视觉频率分辨上限是三十赫兹。
值得注意的是，脑机技术的概念其实不算老。更多时候是以脑电波研究等归类在医学方面的研究方式呈现。直到1999年世界BCI大会首次提出Brain Computer Interface（BCI）这个概念，才产生了脑机接口这一专业名词。
脑机接口BCI技术的核心，是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接交流和控制通道。通过这种通道，用户可以直接通过大脑思想来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作。脑机接口实现可以分为四步：脑电采集—信号获取及处理—信号输出执行—反馈。
从技术维度细分来看，脑电采集是BCI的关键步骤，采集效果和信号情况直接决定后续输出与处理，先有技术的采集方式是通过不同类型的接口将大脑活动产生的电波采集并转换为电信号，传输至电脑；而后接取代表大脑活动的电信号，并在去除干扰电波进行目标分类处理，进一步转化为可以执行输出的对应信号；下一步则是收集并处理后的脑电波信号传输至已连接的设备器材，执行目标动作或显示目标内容；最后，设备回传递目标信号，在执行后，获得已经执行过第一步产生脑电波行动的反馈信号。
脑机技术的出现，从技术发展的角度，前身可以视为神经电生理技术，并且同样都是脑科学的补足。第一次真正意义上的脑机技术进展，发生在1968年。Wyrwicka和Sterman首次在神经生理学基础上进行了控制大脑信号的尝试，记录到猫的感觉运动节律，并将其转化为感官反馈，用于奖励动物并增加其感觉运动节律的产生。
这一技术的主要动能，依旧是国家队。最早下场的是美国，在2013年上半年启动“脑计划”Brain Initiative，探索人类大脑工作机制开发大脑不治之症的疗法。欧洲则是Human Brain Project，在2013年下半年跟进， 内容更为复杂，包脑部模拟的含神经信息学、高性能分析计算的医学信息学和形态计算的神经机器人学 。国内的脑计划一体两翼则发生在2016年，集中在认识脑（大脑认知神经原理）、保护脑（脑重大疾病诊断干预）、模拟脑（脑机智能技术）。
可以这么说，21世纪的前二十年，越来越多的力量涌入了脑机接口，研究热度达到了峰值。
二、脑机技术，还有多远？
讲述脑机技术的基础与历史，是为更好理解其此后的变化都具备基础。而脑机接口技术，已经有了应用类型上的技术划分。
脑机接口的技术原理，是在大脑产生动作意识或受到外界刺激时，神经细胞会产生毫伏级的微弱电活动，大量神经细胞 活动形成脑电波。脑电波根据动作意识或外界刺激的不同，会有特定的节律或空间分布，借助 高性能生物电信号采集系统（脑机接口）可以捕捉脑电波并根据算法转换为数字信号。
非侵入式脑机接口系统
繁复的技术语言，可以浓缩为最后一段话简单表示核心技术，是捕捉脑电波将其转化为数字信号。目前已有的脑机接口技术分类，可以根据不同维度分为单向、双向刺激，侵入式和非侵入式道路。
从交互模式，可以分为单向与双向刺激。单向刺激即机-脑的单向通道，使得广义的BCI包括机-脑交互，脑深部刺激术 (DBS)、经颅磁刺激(rTMS)等同样可以被列入。而双向刺激就是脑—机和机—脑同时工作的闭环通路。
此外，还有从采集方式出发的侵入式和非侵入式两种道路。非侵入式脑机接口的技术特点，是无需植入脑部即可发挥作用的脑机接口。而在实际技术层面的呈现方式，可以是基于事件相关电位的视听觉脑机接口范式，或是基于想象运动的脑机接口范式，也可以是基于事件相关电位和感觉运动节律的多种混合范式。
由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的弥散效应，记录到的信号质量会明显降低，除了最经典的非侵入式脑机接口技术（BCI），还有脑磁图（MEG）、功能性核磁共振成像 （fMRI）和近红外技术等也是常用的非侵入式技术手段。
而侵入式的可以分为直接插入大脑灰质的完全侵入式和植入颅腔但位于灰质之外和部分侵入式。优点在于能够精确的观察到单个神经元的兴奋情况，获取的神经信号质量高。缺点在于目前无法跨人脑功能区联动，并且存在免疫排斥和愈伤组织的问题，可能导致信号质量的衰退甚至消失。
但侵入式对于单项特殊需求人群具有显著效果。如视觉障碍或是行动障碍的人群，可以针对性的进行特殊感觉重构和运动功能重建。这也是目前脑机接口技术典型应用之一。诸如辅助类的假肢啊，帮助一些残疾的患者直接通过意念可以控制假肢，更灵活的一些抓取，脑卒中患者也可以穿戴外骨骼进行康复训练。
除此以外，脑机接口当下核心应用场景，在于人机交互，主要是非侵入式的应用，其实也可以结合当下较为火热的元宇宙相关技术。人们可以通过BCI-VR/AR，可以精准的进行交互，包括控制外部机器骨骼进行操作，从脑电波信号解码反馈多维度动作进行的人机交互。
如此看起来，脑机接口似乎离我们很近，只差着跨时代的临门一脚。
三、脑机技术，如何改变未来
当下脑机接口领域的玩家，不算少。但是主流的玩家和技术方式，的确是屈指可数。
大众最为熟悉的势力，就是马斯克。在2016年，马斯克成立Neuralink公司，目标是制造可植入人脑的芯片，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接。并在•2021年4月成功让猴子通过意念玩游戏。主要技术方式是微型、微创和无线传输的脑机接口技术，走侵入式芯片的路径。
同样商业化路径的下场公司还有 Facebook（现改名为Meta）。布局时间同样是2016年，目标是利用神经影像学和神经电生理学创造一个“未来的沟通平台”。其后一年的Facebook F8 开发者大会上首次公开脑机项目，目标是完全实现人类用意念打字。
学术类的尝试更为深入。主流代表就是美国杜克大学神经工程研究中心，其创始人米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）一度被视为脑机技术的领军人物，主要技术方向用脑机接口实现脑机神经康复，支持用覆盖广大皮层区域的电极来提取神经信号。并且FDA于2021年4月也已批准首款脑机接口手功能康复机器人。其让大众熟知的案例是在2013年，Nicolelis团队从巴西的脊椎国家病伤库中选取了8位由于脊椎损伤而长期截瘫的患者，通过脑控机器人训练，使8位患者中的7位重新获得了部分的下肢感觉和肌肉控制力，并由完全瘫痪变为部分瘫痪，其中一名28岁的患者在2014年巴西世界杯进行了开球。
脑机康复原理图
而国内玩家的代表，是实现亚洲首例植入式脑机接口的浙江大学。其在2020年实现过瘫痪患者精准控制机械手臂。浙江大是国内第一例植入式脑机接口临床研究，让一位 72 岁的截瘫患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机 械臂与机械手实现三维空间的运动，同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。
王浩冲现场为我们讲解了集中可以想象的场景应用。从玩家、技术与产品的维度进行来举例讲解。在其看来，脑机接口的应用场景极为丰富，具备极大的商业前景和社会价值：
l 脑机接口游戏娱乐场景应用：专注消费级脑电波可穿戴产品的NeuroSky，主打MindWave，仅拥有夹 在耳垂的参考电极和额头的检测电极，“脑控爆爆桶”这一自带的脑控小游戏，展示了很多可能性。
l 脑机接口睡眠监测应用 ：神灯生物科技，展示出了一种可能性，对于睡眠和梦境的检测与操控。将脑电监测技术、生物闭环反馈技术应用于睡眠领域的产品智能眼罩。可以通过施加和深度睡眠期一样的脑电波，让人体这个导体“趋向”深度睡眠，延长深度睡眠时间，提升睡眠质量，也可以设定时间进行阳光模拟，调节用户的生物钟。
l 脑机接口教育培训应用：BrainCo的主要技术是注意力专注监测。产品Focus 1 EDU 可以为教师提供实时掌控学生注意力反馈的系统。理想状态中，教师通过可穿戴设备实时查看学生大脑的信息反馈，或无聊或专注，从而帮助教师改变教学方法，提高教学质量。
l 脑机接口汽车应用：奔驰、福特等传统车企也在不断尝试。今年3月福特公布过一项专利，专利描绘中特别指出该专利是“一种使用脑机接口（BMI）设备控制车辆的方法”。这类通过脑机接口驾驶汽车的技术，可能就是最终意义上的无人驾驶了。
l 脑机接口康复场景：这也是臻泰智能的主要研究方向。臻泰智能的代表性产品脑机接口上下肢和手功能康复机器人，康复效果较传统康复训练提升20%-30% ，研究成果被国际顶刊收录之余，产品也在交大一附院、陕西省康复医院等多家三甲医院开展了患者临床使用。
脑机接口上下肢智能康复机器人临床使用场景
脑机接口手功能康复机器人
脑机接口，看似已经全面铺开，但在技术应用层面，依旧面临着N多难题。王浩冲认为脑机接口研究在芯片材料、算法范式、临床应用3个方面均存在着技术挑战。
首先，芯片与材料方面，受益于半导体产业和通信技术发展，脑电信号处理芯片得到了显著的性能提升，新材料技术促成了电极的发展，但低功耗、高带宽的脑机芯片和高精度电极还有待进一步研发。
其次，研究算法范式，诸多新范式如在系统范式方面，比如基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）、运动起始时刻视觉诱发电位（mVEP）相继涌现并成熟。 2019年，基于任务相关成分分析的SSVEP检测方法，信息传输率（ITR）已经超过650 bits/min的，为 目前无创脑机接口技术的最高信息传输率，也有待进一步提高。
最后，是临床应用。从广义讲人工耳蜗、脑起搏器是最为成熟、经典、应用广泛的BCI技术。而专为人机交互和运动康复设计的辅助型/康复型脑机接口已被广泛应用于实验研究和临床试验还有待进一步发展。
国家队、互联网势力、学术势力等不同需求和维度的势力集体入场，展示出对脑机接口商业价值和前景的充分信心。毕竟，在PC时代、移动互联网时代的老观点无需再提，而VR、AR的崛起，是肉眼可见的增长。
脑机技术的潜力在哪里？这个问题，或许可以回到开头时的科幻场景。许多人对于脑机接口抱有兴趣的点，就是开启一段“新的人生。”
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