當下，腦機介面逐漸走進公眾視野。
其實，腦機介面背後的技術，已經存在了近百年。而作為人類理解自身的“終極疆域”——
腦科學，世界各國早已將其上升為國家科技戰略重點。
瑞士、美國、日本、歐盟等國家和地區都在積極佈局，推出了針對腦機技術的許多重大研發計劃及投資專案。META、谷歌、亞馬遜等商業巨頭在腦機介面領域的成果，也不斷湧現。
2021年5月20日，美國匹茲堡大學展示了28歲的內森科普蘭參與腦機介面技術應用研究專案的過程。
腦機介面到底是一個什麼技術？為何各國都要搶佔“大腦制高點”？
文｜王乙雯 瞭望智庫觀察員
本文為瞭望智庫原創文章，如需轉載請在文前註明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者資訊，否則將嚴格追究法律責任。
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當猴子用意念打字
2022年11月底，埃隆·馬斯克在他的腦機介面公司Neuralink的釋出會上，向公眾展示了猴子用意念打字的場景。只見這隻事先被植入了腦機介面晶片的猴子一邊嘬著吸管（裡面裝著香蕉奶昔），一邊用意念控制游標在虛擬鍵盤上移動，拼寫出了“welcome to show and tell”（歡迎來到釋出會），接著又打出了“can i please have snacks”（可以給我零食嗎）。
於是，工作人員將電子選單遞了過去，猴子在上面的水果中迅速選擇了葡萄。
【注：Neuralink在對猴子的訓練中，採取的激勵強化方式類似於條件反射，每當猴子參與了實驗、完成了一次操作，就會得到香蕉奶昔等美食的獎勵。】
Gif 來源：Neuralink
猴子這是學會英語了？其實它並不會拼寫英文。而是電腦已經預先設定好了字母出現的順序，並用黃色標亮以提示猴子用意念將游標移動到高亮字母上將其選中，然後依次拼出。
過去三年，這家腦機介面公司每年都會公佈其技術的進展，實驗物件也從小鼠、豬變成了與人類更接近的猴子。2021年，Neuralink公司還展示過猴子透過腦電波玩“意念乒乓球”遊戲的場景。
馬斯克還表示，他們下一步要開展人腦試驗。他希望為大腦做的這個通用的“I/O介面”，可以幫助那些罹患漸凍症、中風後遺症等病症的人群。同時，他提到Neuralink還將推出脊髓植入物和眼部植入物，前者“能讓脊髓斷裂的人恢復全身功能”，後者“可以改善或恢復人類視力”。
不過在業界看來，Nueralink的進展並不算快的，因為該公司的人體試驗遲遲未獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）的許可。但它的競爭對手Synchron，在2021年就已經獲得了FDA的人體試驗許可，先後在四名澳大利亞癱瘓患者身上植入晶片裝置。
另外，Nueralink還不斷出現人事變動，目前8位創始人除了馬斯克，就剩下1位工程師了。
這些好像都沒有動搖馬斯克跟腦機介面“死磕”的決心，不禁令人好奇，究竟是怎樣的一種技術？
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一個近百年的技術，迎來了爆發期
其實，“用意念打字”背後的腦機介面技術已經存在了近百年。
早在1924年，德國精神科醫生漢斯·貝格爾（Hans Berger）就透過檢測發現了腦電波，這意味著人的意識可以轉化成電子訊號被讀取。此後，腦機介面技術的研究開始出現，但直到20世紀70年代才真正逐漸成形。
當時，美國加州大學洛杉磯分校教授雅克·維達爾（Jacques Vidal）在科學文獻中首次用到“腦機介面”這一術語。1977年，他透過提取視覺誘發電位，完成了透過腦電對螢幕上游標樣物體的控制，這是腦機介面最早的實驗室實現形式，也意味著該技術的發展由設想進入了研究階段。
如何理解腦機介面的概念呢？要從我們的大腦談起。它是人體的控制器，主要由神經元組成，數量多達860億個，可以說是宇宙中最複雜的存在之一。大腦神經元對資訊進行接收、處理和轉發，神經元之間透過級聯方式形成網路，這些網路進一步形成更復雜的交聯網路。通常情況下，中樞神經系統的活動透過外周神經系統連線身體的感覺、運動、語言等資訊收發器官，實現身體內部與外部環境的資訊互動。
而腦機介面則由“腦”+“機”+“介面”組成，簡稱為BCI（brain-computer interfaces），指的是
將人腦與外界具有處理或計算能力的裝置（比如電腦或其他裝置）實現連線，進行直接通訊
的方式。
我們的大腦複雜精密但又極度脆弱，一點疾病就可能讓人束手無策。為了理解大腦，科學家們至少花了200年時間。據中國科學院院士、上海腦科學與類腦研究中心主任蒲慕明所述，現在我們對神經細胞如何處理資訊瞭解得很清楚，但是對整個大腦複雜的網路結構瞭解仍不多。“到底是什麼原理使得神經細胞在某種情況下發生某些反應，我們並不是很清楚；還有大腦中的資訊處理，我們對各種情緒的感知，還有一些高等認知功能——思維、抉擇甚至意識等，理解得比較粗淺。”
透過腦機介面技術，我們就可以全面地解析認識大腦了。
同時，它也是神經修復領域最有潛力的診療工具，對於治療神經功能損傷引發的疾病具有重要價值。
時間回到20世紀80年代至90年代，科學家們不僅研發了可行的腦機介面系統，還定義了幾種主要正規化，實現了腦機介面技術真正的破冰，這些正規化至今仍在採用。
1988年，法韋爾（L。A。Farwell）和唐欽（E。Donchin）提出了著名的腦機介面正規化——“P300拼寫器”，該正規化透過檢測電位輸出目標字元，幫助癱瘓病人與外界進行通訊和互動。
1992年，埃裡希·薩特（Erich E。 Sutter）提出了基於視覺誘發電位的腦機介面系統。這是基於視覺誘發電位的腦機介面正規化首次被應用於臨床，幫助肌萎縮側索硬化症（又稱“漸凍症”）患者以高於10個單詞/分鐘的速度向外界傳遞資訊。
1998年，埃默裡大學的研究員菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）首次將腦機介面裝備植入人體，使用無線雙電極獲得了高質量資料，實現了對電腦游標的控制……
進入21世紀以來，尤其是最近10年，在機器學習演算法和腦電訊號處理技術快速發展的背景下，腦機介面的技術迎來大爆發。
大批多元化正規化湧現，如視覺BCI、語言BCI、情感識別等；消費級腦電感測器和腦機介面系統問世，不僅在臨床醫學上的應用得到快速推進，非醫學領域如情緒識別、虛擬現實和遊戲等方向上也出現了嘗試與探索。
3
腦機介面帶來了哪些可能？
那麼，腦機介面系統是如何運轉的？
從工作流程上看，它有四個核心部分：訊號採集、訊號處理、訊號執行和神經反饋。
中國資訊通訊研究院的報告顯示，腦機介面主要涉及6種關鍵技術：
腦機介面關鍵技術。來源：中國資訊通訊研究院《腦機介面總體願景與關鍵技術研究報告（2022年）》
按照訊號採集的不同方式，腦機介面分為植入式和非植入式。
植入式腦機介面，是指對深入到顱內以下的組織進行訊號採集和記錄，是一種有創的方式。優點是記錄的訊號時空解析度高、資訊量大，能夠對複雜任務進行實時、精確控制。
非植入式腦機介面採取採用無創採集技術，在頭皮表面或附近採集大腦響應訊號。由於其安全無創得到廣泛應用，但受限於腦外採集的強度與噪聲干擾，目前可實現的互動效能有限。
威斯康星大學生物醫學副教授、神經刺激裝置研發人員基普·路德維格（Kip Ludwig）形容道，“這就像聽兩個人說話一樣，一個是站在他們旁邊聽他們說話，一個是在房間外面聽他們說話”。
那麼，當下腦機介面的研究進展如何，又帶來了哪些改變呢？
*用意念“手寫”，準確率可達99%
2021年，來自斯坦福大學的研究者首次破解了“與手寫筆跡相關”的大腦活動，其開發出的皮質內腦機介面系統，讓研究受試者（因脊髓損失癱瘓）每分鐘可以打出約90個字元，是以往利用此類腦機介面打字記錄的兩倍多，並且線上原始準確率達到了94。1%，自動更正後的離線準確率超過了99%。
以往，腦機介面的主要功能是恢復患者的“運動技能”，比如藉助腦機介面裝置操控機械臂抓取物品、移動電腦游標、點選字母輸入等。而這位65歲的受試者“想象著用筆在紙上寫字”，此時其大腦中植入的電極檢測到了他試圖寫字的活動，演算法會對每個字元對應的模式進行解碼，並轉化成可在螢幕上顯示的文字。
Gif 來源：影片截圖
相關論文登上Nature（《自然》）雜誌，封面上還展示了用腦控“手寫”出的字母。
Nature（《自然》）雜誌封面 來源：Nature雜誌官網截圖
加州大學伯克利分校的神經工程師喬斯·卡梅納（Jose Carmena）認為，“這項研究以及其他同類研究在幫助各類殘疾患者方面具有很大潛力。儘管研究結果只是初步的，但依然是該領域的重大進步。”
*身穿“機械戰甲”，癱瘓少年為世界盃開球
2014年，腦機介面領域的學術奠基人米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）為一位癱瘓少年做了一套“機械戰甲”，讓少年用大腦控制機械外肢，成功為巴西世界盃完成了開球。
Gif 來源：影片截圖
早在1999年，
米格爾就創造出了一臺可以讓人類大腦控制機器運動的裝置。該系統可以從神經元中讀取訊號，並將其轉換為機器指令，這個過程就好比人類大腦將訊號先發送到脊髓，然後再到肌肉的方式。
2008年，米格爾團隊成功完成一個非常著名的實驗。他們在一隻名為Idoya的成年雌性恆河猴大腦中植入了一次可以讀取250-300個神經元訊號的電極。當Idoya在杜克大學實驗室的跑步機上跑步時，放置於日本的人形機器人開始接收訊號，不久之後也開始進行運動。
2011年，米格爾推出了自己的“重拾行走計劃”（Walk Again Project），之後得到了巴西政府的財政支援，再之後就有了巴西世界盃上，高位截癱的男孩完成開球的動人一幕。
另外，在運動輔助上，還有一些非植入式腦機技術也取得了驚人的成果。2019年，BrainCo做出了全球第一款腦控機械義肢產品——智慧仿生手，透過採集殘疾人殘肢末端的肌電神經電訊號，用深度學習的演算法來還原殘疾人的運動意圖，並讓假肢執行相應的動作，做到“手隨心動”。並且，使用者不需要做任何的手術，直接在殘臂上布上一群高通量的資訊採集器，採集他的肌電和神經電。
*在大腦中植入電極後，失明患者重獲視覺
因視神經病變破壞了連線眼睛和大腦的神經，42歲的戈麥斯失明，甚至感受不到一點光線，16年後，58歲的她透過新技術重獲視覺——雖然看到的僅是黃白色的點和圖案。
該系統由米格爾·埃爾南德斯大學神經工程系主任愛德華多·費爾南德斯（Eduardo Fernandez）帶團隊研發，包括一副經過改進的眼鏡（該眼鏡配備了微型相機，並且已連線到處理實時影片輸入的計算機，並將其轉換為電子訊號），透過懸掛在天花板上的電纜將系統連線到嵌在戈麥斯頭骨後部的埠，並與大腦後部視覺皮層中的100根電極植入物相連。藉助該系統，戈麥斯能看到吸頂燈、人和印在紙上的字母、基本圖形，甚至能玩一款簡單小遊戲。
大多數失明患者可以透過人工眼睛或視網膜的輔助恢復一定程度的視力，但對那些連線視網膜和視覺皮質的神經受到損害的患者而言，這種方法並不管用。費爾南德斯透過植入技術，直接向大腦傳輸訊號，實現了突破。
*有望幫助航天員完成複雜的工作任務
隨著載人航天的發展，航天員在太空的工作也日趨複雜。為了突破雙手操作的限制，中國航天員已經開始試驗一種腦機互動技術。
在神舟十一號載人飛行中，我們的航天員完成了人類歷史上首次太空腦機互動試驗。航天員戴上腦電帽後，還要塗上導電膏。當導電膏從腦電帽的小孔內注入以後，導電膏裡的細粒就可以填充在接觸面的縫隙裡，相當於增加了採集腦電訊號的觸頭和頭皮的接觸面積，可以讓腦電帽更好地採集到頭皮的腦電訊號。準備好後，航天員完成了視覺刺激實驗、運動想象實驗，還透過意識控制拼寫。
4
為何各國都在加速佈局？
環顧當前世界，瑞士、美國、日本、歐盟等國家和地區都在積極佈局腦機介面領域，推出了針對該技術的許多重大研發計劃及投資專案。
早在2005年，瑞士科學家就提出過轟動一時的“藍腦計劃”——複製人類大腦。以“拆除之後再重建”的思路，逆向工程建立哺乳類動物的模擬腦。計劃先對小鼠腦組織和整個小鼠大腦進行模擬和重建，最終實現人腦的數字重建和操控。
該計劃稱將為阿爾茨海默症等疾病帶來革命性進展，並研發出更智慧、認知能力更強的機器人，甚至幫助找到讓計算機處理速度更快的方式。
在“藍腦計劃”的基礎上，2013年，歐盟推出了由15個歐洲國家參與、預期10年的“人類腦計劃”。該目標是開發資訊和通訊技術平臺，神經科學家、大腦研究者、醫學界人士、計算機科學家和機器人專家構建一個強大的工具集，幫助他們以更高的效率研究大腦。
資料顯示，“人類腦計劃”共有6個研究平臺，它們有機地結合在一起：神經資訊學平臺提供有關大腦的最新資料；大腦模擬平臺利用這些資料建立大腦模型；這些資訊為神經機器人平臺、神經形態計算平臺以及高效能分析計算平臺提供理論支援；最後5個平臺的資料，都能為醫療資訊學平臺所用，增強科學家和醫生對大腦疾病的理解，以尋找新的治療方法。
美國在腦研究領域一直位居世界領先地位。2013年，時任總統奧巴馬啟動基於創新型神經技術的腦研究計劃（Brain Research through Advancing Innovative Neuro-technologies，BRAIN），簡稱“腦研究計劃”，其目標包括探索人類大腦工作機制、開發大腦不治之症的療法等。資料顯示，美國聯邦政府2017財年預算中，“腦研究計劃”的預算增至4。34億美元，與2016財年相比增幅近45%，更是2014財年的4倍多。
據報道，在2013年初的國情諮文中，奧巴馬就特別提到了人腦繪圖計劃：“現在是太空競賽以來，
美國的研發水平達到新高度的時候了”，一語道出背後動機——搶佔腦科學研究戰略制高點。
與之並行的是，美國國防高階研究計劃局（DARPA）近年來也啟動了數十項旨在提高對大腦動態和機制的瞭解、推進相關技術應用的專案。
2014年，日本也啟動了腦計劃，包括三個主題：繪製非人靈長類（狨猴）大腦的結構和功能圖譜、發展創新神經技術，以及人類大腦的結構功能重建和臨床研究。
面對世界科技前沿，中國也在不斷髮力，從“十三五”規劃到“十四五”規劃，腦科學都被列為重點前沿科技專案。
2021年，醞釀多年的“中國腦計劃”正式啟動。
蒲慕明院士在採訪中指出，“中國腦計劃”有三個方向，分別是作為認知功能的神經基礎、重大腦疾病的診斷和診療方法，以及腦機智慧技術。其中，腦機智慧技術包括腦機介面和類腦研究。他同時認為，我們要“有所為，有所不為”，要“抓到重要領域，佔一席之地”，還要在“有優先的領域先領先”。
中科院院士、神經生物學家、生理學家楊雄裡也曾強調過一個科學界的共識——對腦的研究是自然科學的“終極疆域”。首先，我們對腦的瞭解仍然很膚淺，特別是對腦的高階功能的探索與解釋；其次，腦和神經系統的疾病會影響人的思維等高階功能，從而影響整個社會的發展；最後，如何借鑑腦的工作原理來推動人工智慧和其他學科的發展，也有很重要的意義。他指出，當前各國都在大力發展腦科學的研究，我們正面臨嚴峻的挑戰。
5
未來已來，在挑戰中搶佔先機
不過，國內外腦機介面研究領域均面臨一些尚未突破的前沿問題。
首先，“讀”訊號難，“寫”訊號更難。
腦機介面是資訊的互動，資訊不僅要輸出，還要輸入。這要求我們不僅要讀懂腦訊號，還要能進行干預和治療。清華大學醫學院教授洪波曾在演講中指出，大家已經慢慢意識到，腦機互聯最難的一件事情是大腦如何表達資訊。以當前的技術，我們最多隻能在特定腦區採集部分神經元訊號，以小見大。科學研究對大腦神經的解碼和編碼機制的瞭解，還處在非常初級的階段。
其次，在硬軟體技術上仍需尋求突破。
比如，對植入式腦機介面來說，雖然採集訊號會更加精確且穩定，但其長期安全性和相容性還有待驗證，需要在臨床上持續觀察和最佳化。再如，腦機介面系統的頻寬不足，難以支撐未來腦機之間高速通訊的需求。正常人類大腦透過860億個神經元控制人體的活動，而基於目前的腦機介面技術，最多隻能同時記錄大約1000個神經元的活動及訊號發放。
同時，腦機介面還面對著安全性和倫理的挑戰。
如果某天我們的大腦可以被任意讀取，又該如何保護資料和裝置的安全性？如何保證技術不被濫用，保證技術的安全性與公平性，仍需要我們思考與完善。
我們也應看到，在生命科學和資訊科技的相互啟發與推動下，腦機介面不斷取得突破。
比如在神經定位上，中國科學院院士、海南大學校長駱清銘帶領團隊開發了一種被稱為顯微光學切片斷層成像（MOST）的技術，從介觀層面來觀察大腦，能夠對腦功能的基本單元神經元細胞的完整形態及其組成的全腦網路聯接進行清晰成像。該技術已在國內外十餘家神經科學研究單位應用，包括美國的艾倫腦科學研究所、冷泉港實驗室都在申請用MOST技術開展全腦細胞型別普查研究。駱清銘表示，“目前全腦介觀神經聯接圖譜計劃已經開始起跑，中國有望在這一大科學領域拔得頭籌，跑在世界前列。”
再如柔性電極的應用。哈佛大學維斯研究所（HWI）和約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家開發出了一種基於水凝膠的新型柔性電極。這種電極具有良好的組織貼合性，所需電壓較低，且可將損傷器官的風險降至最低。相關論文已經刊登在《自然·奈米技術》上。
我國在柔性電極上也頻頻創新，中科院上海微系統所副所長陶虎帶領的團隊獨闢蹊徑，巧用蠶絲蛋白，開發出了“免開顱微創植入式高通量柔性腦機介面系統”，使得腦機介面不再是“往豆腐裡插筷子”，而是引入一根軟到難以損傷腦組織的輕柔絲線。
陶虎曾撰文表示，“腦機介面是下一個生命科學和資訊科技交叉融合（BTIT）的主戰場”，涉及微電子、神經科學、材料學、機器人、臨床醫學等多個學科，產學研醫交叉融合、環環相扣。
未來已來，人類將被這種新興的、具有潛在破壞性的技術賦予怎樣的能量，值得關注。
參考資料：
1。腦機介面總體願景與關鍵技術研究報告|中國資訊通訊研究院。2022。11
2。當猴子會意念打字後，馬斯克又要“整活”了|果殼。2022。12。01
3。腦機介面技術如何改變人類未來|侯林。科普時報。2022。12。09
4。蒲慕明院士：人類對大腦瞭解還很粗淺，腦科學未來有三大發展方向|格致論道。2019。06。22
5。楊雄裡：中國發展“腦科學計劃”需要只爭朝夕|廣州日報。2018。04。24
6。中國腦計劃”已啟動，建立中國人腦健康多維度大資料庫|光明網。2021。10。28
7。“中國腦計劃”：向最後的前沿進發|央視網。2022。08。13
8。從醫學到腦機介面，他用實踐證明“意念”控制機器人的可能|DeepTech深科技。2020。10。27
9。陸林院士：國內外腦科學計劃研究現狀及發展態勢|醫學界。2022。12。10
10駱清銘院士：如何給大腦神經精準定位？中國開始領跑|第一財經。2022。11。29
11。從科幻到現實，聚焦腦機介面的核心技術與突破|中國網。2022。07。11
12。“意念打字”亮相，未來或許真能靠“想”搞定一切|科技日報。2020。11。27
13。腦機介面迎來新突破？失明患者在大腦中植入電極後重見光明|36氪。2020。02。10
14腦機介面：想象中的未來何時到來？|知識分子。2021。05。18
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