摘要：看过Tony Stark用意念控制钢铁侠，《黑客帝国》中将线缆插入大脑进入“母体”世界，《流浪地球2》中存活的数字生命……这些其实早已不再是天马行空的想象，而是基于“脑机接口”的合理设想！
如果说当今什么技术最接近科幻片，那么一定是「脑机接口」！
看过Tony Stark用意念控制钢铁侠，《黑客帝国》中将线缆插入大脑进入“母体”世界，《流浪地球2》中存活的数字生命……这些其实早已不再是天马行空的想象，而是基于“脑机接口”的合理设想！
就在11月13日，上海的一名医生将一枚硬币大小的脑机接口体内机嵌在了一名因车祸导致4年瘫痪、无法站立和抓握的患者的颅骨外。术后仅三天，他已经可以下床坐轮椅了。
连瘫痪者都能重新站起来，科幻真的照进现实了？这让派派不禁幻想为了能上传下载神经数据，“神游”网络世界、实现数字永生……脑机接口是啥？它真的能帮我们做到吗？
脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI），这词儿听起来是不是很高科技？但它其实并不复杂，正如“手机”是手与机器的交互，“脑机”则是大脑与机器的交互。
“脑”指的是我们的大脑；“机”可以是任何设备，例如气动手、机械臂、轮椅等等；而“接口”就是捕捉大脑产生的电信号和化学信号，将其变成指令，实现“意念控制”设备的中介[1]。
因此，脑机系统主要有“读”和“写”两部分。“读”就是信号采集、处理，而“写”就是输出和反馈。
图注：典型脑机接口的系统结构
我们的颅骨下有三层膜，紧贴颅骨的硬脑膜保护大脑，中间层带有弹性的蛛网膜充满了脊髓液，负责减震、固定大脑，最下层紧贴大脑，是一层薄薄的软脑膜，在这三层脑膜之下才是大脑。
图注：颅骨下的结构
在脑膜的层层保护之下，才是我们意识的最核心的部位——大脑皮层，也就是大脑的最外层灰质，它是大脑的信息处理中心，负责视听触的感知、思考、记忆、语言、意识以及运动等功能。
图注：大脑皮层的功能区域
因此，对于脑机接口来说，精准“读取”不同区域的大脑皮质层发出的信号就很重要。我们大脑中有约1000亿个神经元细胞，它们释放的微弱电信号就是属于身体自己的“语言”。
我们的手、脚、身体每个部分都能读懂这种语言，而想让机器“读懂”，就需要在巨大信息量中筛选、去除噪声的影响。
目前应用的方法就包括去噪滤波（清除干扰信号）、P300信号分析（P300为特定刺激产生的脑电波，可用来识别用户意图）、小波分析+奇异值分解（提取信号中的关键特征）等。
图注：大脑产生的P300脑电波
读取的问题解决了，那么脑机接口该怎样“接”在大脑上呢？
按照采集大脑信号的方式，脑机接口分为侵入式、非侵入式、半侵入式[2]。
侵入式是通过手术将能够接收脑神经信号的电极芯片植入颅骨内，一般为大脑皮层表面或内部、硬脑膜下等部位。这样获得的神经信号十分清晰，但由于异物侵入，可能会引发yan症和产生疤痕影响使用。
非侵入式因为只佩戴而更为安全，主要通过脑电图来接收信号。但隔着头皮与颅骨采集信号，就像在大楼之外辨认楼内的声音一样，得到的信号强度和分辨率较差。
半侵入式则是将脑机接口植入到头皮内不损伤大脑的位置，其安全性与信号强度介于上述二者之间，我们开始提到的瘫痪患者就使用了半侵入式植入。
图注：BCI信号采集技术的分类（a）是手术维度的分类图：无创、微创、有创；（b）为检测维度的分类图：非植入、干预和植入
目前，中国和欧洲等国家主要以无创的非侵入式为核心展开研究，并且中国在指令维度、信息传输速度和识别精度方面处于世界领先水平；而美国的重点则放在侵入式，尤其是由特斯拉创始人埃隆·马斯克创立的Neuralink，就专注于开发人体植入式脑机接口。
图注：Neuralink公司的脑机接口使猴子能用“意念”玩乒乓球游戏
接下来，就是将信号转化为指令输出到脑机接口的“机”，它可以是机械骨骼、也可以是你能想到的任何机器。而所谓“写”，就是将执行结果通过视听触觉反馈给大脑，甚至可以通过反馈对神经问题进行治疗。
实现了机器解读人脑、“意念操控”机器，脑机接口就可以更好地为我们所用，而它也确实为人们（尤其是残疾人与老年人）的生活带来了不可估量的颠覆变化！
人机共生、意念驱动……随着脑机接口相关研究不断取得进展，曾经的“未来世界”好像就近在眼前了！那么，脑机接口将怎样造福未来的每个人呢？
帮失能老人“重获新生”
能让瘫痪的人能重新行走，甚至“重获”失去的知觉……这才是脑机接口技术最接近科幻、最有意义的一面！
图注：2014年巴西世界杯开幕式，一位双腿瘫痪的少年靠着脑机接口操控“机器战甲”踢出第一球
说到衰老，很多人怕的其实是「生活不能自理」。
目前，我国已有约3500万的失能老年人，占全体老年人的11.6%。而脑机接口的发展，也许能解开这种“一人失能，全家失衡”困局，让失能老人重拾独立生活的希望。
目前，脑机接口常被用于协助因中风、脊髓损伤、脑瘫和肌萎缩侧索硬化症（渐冻症）引起的截瘫或四肢瘫痪重新活动。
图注：中国脑机接口让四肢瘫痪14年的患者实现用“意念”喝果汁
此外，一些失去语言功能或者听觉的患者也可以依靠脑机接口重获语言功能，与外界“丝滑”交流，例如脑机接口拼写、眼球运动拼写等。
另外，其实能让听障人士重新听到世界的声音的人工耳蜗就是最成功、最普及的一种脑机接口。
图注：Facebook与加州大学旧金山分校（UCSF）Chang Lab的脑机接口项目让严重瘫痪的失语患者重新恢复交流能力
懒人福音？脑机接口让你体验科技养老
脑机接口能够帮助失能老人重返“独立生活”，但我们大部分人肯定不愿意享受到这等“好处”（当然，谁愿意生病呢！
对于仅有轻微活动障碍的大部分老人，一些非侵入的脑机接口只需要结合智能家电、轮椅等，就足以大大改善日常生活，让他们无需辛苦动手就能更轻松地完成日常活动。
例如，有研究者设计了一套能够“意念控制”的智能家居，用大脑信号来控制家里的灯、电视，甚至是打电话。
特殊面板上的符号会以特定模式闪烁来吸引注意力，当注意力集中在某个符号时，大脑会受到视觉刺激产生P300信号，从而被系统识别并执行，成功率高达92.25%[3]。
想象一下，当我们回到家，只要想一想就能拉上床帘、调节空调温度，甚至开始烹饪…这才是真·科幻照进现实、懒人福音！
玩玩游戏、冥个想，预防大脑衰老
认知障碍也是老年绕不过的一道坎。目前脑机接口技术已经可以通过“反馈”来锻炼我们的记忆、注意力和意识等来预防认知减退了。
比如，认知游戏和电刺激等等“脑波治疗”手段，也是广义上的脑机接口。在这个过程中，脑机接口可以利用脑电图收集和辨认我们大脑活动时产生的“脑波”来调控设备。其中，θ波活动与工作记忆相关，而β波通常与注意力相关。
图注：脑波的种类
市场上有许多用于锻炼认知的“脑机游戏”。例如，有研究者开发了一个脑机系统，能通过头带上的电极记录产生大部分θ波和β波的额叶（Fp1、Fp2）所产生的脑电波，从而根据用户的注意力变化来控制游戏[4]。
图注：使用脑机接口进行注意力训练游戏系统进行干预
此外，此类脑机接口在冥想减压方面也有很大的市场，许多公司推出了脑波检测头环，帮助用户通过实时音频反馈来提升冥想效果。
治疗神经退行J病
除了轻微认知障碍，一部分老人还会出现老年痴呆、帕金森等严重的神经退行性J病。而脑机接口可以利用生物反馈来重塑衰退的神经连接，治疗多种神经和精神J病。
一项研究中，研究者使用经颅直流电刺激结合脑机接口设备，提高了慢性中风患者的大脑的神经修复和重组的能力[5]。另外，还有能根据患者神经信号智能调控电刺激强度的脑机接口，将帕金森病患者的震颤、行为迟缓等运动症状持续时间减少了50%[6]。
图注：脑机接口改善慢性中风患者的大脑神经重组能力
此外，脑机接口还能结合经颅磁刺激治疗重度抑郁症、精神分裂症和注意力缺陷多动障碍（ADHD）等精神J病[7]。
脑机接口已经可以读懂大脑、操纵机械，那么我们是否真的能实现身体改造，或者像三体人一样无需语言就能交流，甚至上传下载大脑数据，实现数字永生？
对此，派派还是想说一句：还是太超前了！目前这种设想还属于“科幻”的范围，而我们离它们还有非常非常漫长的路要走。
目前，我们仍面临着许多的技术瓶颈和伦理问题。比如，我们现有脑机芯片检测信号的数量有限，此项技术的安全性也无法保证。例如马斯克的Neuralink在2023年一年间便失去了15到17只植入设备的猴子。另外，如果啥都能被读取，那我们的隐私也得不到保证了！
但是，为了真正实现对科幻未来的设想，科学家们还在继续努力。在脑机接口研究的竞技场上，中国尽管起步较晚、被各国筑起“技术壁垒”，但我们还是冲入了脑机接口技术的全球第一梯队：在产品创新、精密生产、应用的开拓上都跻身世界前列！
照这个速度，派派也期待未来脑机接口能够成为像手机电脑一样方便的设备，真正造福每个人。（我投智能家居一票！！）
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来源：时光派科学抗衰
