從科幻到現(xiàn)實：我們離“心想事成”的世界還有多遠(yuǎn)？（下）

出品：科普中國

作者：錢昱（中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心）

監(jiān)制：中國科普博覽

你一定看過這樣的魔術(shù)表演，魔術(shù)師通過所謂的“念力”隔著一定距離將叉子等物品弄彎、隔空取物等，這些都是魔術(shù)師通過精心設(shè)計讓我們看到的表象。那么在現(xiàn)實中我們能否通過“念力”不通過自身肢體來操縱物體呢？

回答是肯定的，腦機(jī)接口技術(shù)就能幫助我們直接用大腦“念力”（大腦電信號）支配外接的單個物體乃至機(jī)械臂甚至外骨骼，從而達(dá)到操縱相應(yīng)物體的目的。

那么我們要怎樣輕松使大腦具備“念力”能力呢？

實現(xiàn)“念力”的兩種方式

腦機(jī)接口技術(shù)實現(xiàn)“念力”，就需要采集到你大腦“想做什么”的神經(jīng)元電信號，解析出這些信號所編碼的信息，并將其傳遞給外界事物，從而用大腦直接控制接受信息并執(zhí)行移動等操作。

當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)可以分為兩大類：侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口。

眾所周知，我們的大腦外面被一層堅硬的顱骨保護(hù)著。非侵入式腦機(jī)接口，就是不用破壞顱骨結(jié)構(gòu)以及深入腦組織內(nèi)部，就能采集到大腦神經(jīng)元的活動信號的接口類型。一般利用的是像帽子一樣的頭戴式設(shè)備來采集信號。

最常見的是頭皮腦電圖（Electroencephalogram，EEG）,一個無創(chuàng)檢測大腦電活動的方式，需要將電極置于頭皮上，記錄神經(jīng)元內(nèi)及周圍電流所產(chǎn)生的相對較慢的突觸后電位。EEG可以無創(chuàng)地對大腦神經(jīng)元活動進(jìn)行直接和實時的檢測。

但由于其僅置于顱骨外，產(chǎn)生腦電的神經(jīng)活動在整個大腦中傳導(dǎo)，因而信號精度比較欠缺，比較難判斷電極信號源頭的相對位置；且大腦為三維的結(jié)構(gòu)，對于大腦深部的腦區(qū)比較難記錄到其信號。

EEG裝置示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

需要局部破壞顱骨結(jié)構(gòu)，將采集信號的電極穿過顱骨插入軟綿綿的大腦組織內(nèi)，進(jìn)而獲得腦電信號，精確記錄大腦信號的稱為侵入式腦機(jī)接口；穿過顱骨，但不會將電極插入腦組織里，只是貼在其表面的稱為半侵入式腦機(jī)接口，比如皮層腦電圖（Electrocorticography，ECoG）。

不同的腦機(jī)接口類型

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

侵入式腦機(jī)接口的好處在于能夠更清晰和準(zhǔn)確地記錄大腦的電信號，甚至能達(dá)到單個神經(jīng)元水平。這對于解碼后順利執(zhí)行命令，從而熟練掌握“念力”是非常有必要的。它還可以進(jìn)行精確的電刺激從而產(chǎn)生特定的感覺。

但因為侵入式腦機(jī)接口需要取下一小片顱骨，這種“腦洞大開”的方式讓人望而卻步。

有沒有傷害小一點甚至沒有傷害也能輕松掌握“念力”的方法呢？這是腦機(jī)接口領(lǐng)域正在極力攻克的一個問題，目前已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。

如何低代價輕松地學(xué)會“念力”

近期世界人工智能大會上展示的類蚊口器仿生柔性電極就能實現(xiàn)微創(chuàng)式的植入。這種電極的結(jié)構(gòu)類似于蚊子獨特的口器，外部較硬，但里邊的電極較軟，侵入大腦組織時就像蚊子吸血侵入皮膚一樣，在信號精度較高的情況下盡可能降低了對大腦的損傷程度，但是該方法仍需要打開一小片顱骨。

類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針

（圖片來源：中國科學(xué)院）

除此之外，能不能像《盜夢空間》里一樣，通過打針的方式來植入腦機(jī)接口的電極呢？

畢竟我們雖然怕開顱，但打針還是不怕的。

來自澳大利亞的科研團(tuán)隊就開發(fā)了名為“支架”（Stentrode）的微創(chuàng)式腦機(jī)裝置。它是一種血管支架狀的腦機(jī)裝置，從頸部底部靜脈輸送進(jìn)入腦部血管，并在特定大腦區(qū)域旁邊的血管內(nèi)放置了16個電極來采集轉(zhuǎn)譯大腦的神經(jīng)活動。

Stentrode

（圖片來源：Neuronews）

類似的，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊也開發(fā)出了一種超柔性微血管內(nèi)（ultraflexible micro-endovascular，MEV）探針，通過頸部血管精確地輸送到大鼠亞百微米級的大腦血管中，從而在皮層和嗅球中實現(xiàn)長期穩(wěn)定地記錄電信號。

超柔性微血管內(nèi)探針

(圖片來源:參考文獻(xiàn)[4])

這些通過血管來記錄大腦電信號從而掌握“念力”的技術(shù)，“打個針”就行，不用通過顱骨的外科手術(shù)也能輕松記錄到大腦信號。但這些技術(shù)的缺點和其他的非侵入式技術(shù)一樣，信號的通量和保真度并不是很理想，或許只能實現(xiàn)非常一般的“念力”水平

希望未來能實現(xiàn)微創(chuàng)甚至是無創(chuàng)的腦機(jī)接口植入，并且增強(qiáng)大腦電信號的信噪比，讓獲得“念力”的方式更加簡單和安全。

腦機(jī)接口的未來

腦機(jī)接口的未來會怎樣呢？

肯定是朝著無創(chuàng)和高質(zhì)量（高時空分辨率）以及可交互（即大腦和腦機(jī)接口可交互）的目標(biāo)前進(jìn)。但在實現(xiàn)這些目標(biāo)之前，仍需要大量的科研投入和產(chǎn)出。

像《阿凡達(dá)》中躺在密閉艙內(nèi)戴上一個設(shè)備，即可控制另一個物體身體進(jìn)行各種活動，在可見的未來應(yīng)該是能實現(xiàn)的，畢竟運(yùn)動信號的采集和解碼是腦機(jī)接口里最老生常談的技術(shù)了。

腦機(jī)接口遠(yuǎn)程操控

（圖片來源：電影《阿凡達(dá)》）

但要實現(xiàn)科幻小說里那樣完全控制人類思維的腦機(jī)接口技術(shù)，以目前的技術(shù)水平來看，依然是科幻。

盡管當(dāng)前用腦機(jī)接口只能實現(xiàn)一些簡單的“念力”，但這已經(jīng)為腦功能損傷患者的康復(fù)帶來了很多福音，給予了很多殘障人士重新自理的可能性。

可以預(yù)見的是，不遠(yuǎn)的未來，腦機(jī)接口將可能徹底改變殘障人士的現(xiàn)狀，讓很多癱瘓患者都能恢復(fù)得更加健全，希望那時，每個身體受到不可逆?zhèn)Φ臍埣踩硕寄芟裾Ｈ艘粯舆^著美好而有尊嚴(yán)的生活。

或許有一天，腦機(jī)接口技術(shù)能讓每個想學(xué)“念力”的人都能在無風(fēng)險的情況下隨心所欲地使用“念力”，讓隔空取物這種操作不再是“魔術(shù)”。

參考文獻(xiàn)：

[1] Sebastian Nagel, Towards a home-use BCI: fast asynchronous control and robust non-control state detection. SEBASTIAN NAGEL

aus Gelnhausen, 2019

[2]Shujhat KhanTipu Aziz, Transcending the brain: is there a cost to hacking the nervous system? Brain Communications, 2019

[3]Tang J, LeBel A, Jain S, et al. Semantic reconstruction of continuous language from non-invasive brain recordings[J]. Nature Neuroscience, 2023: 1-9.

[4] Anqi Zhang, Charles M. Lieber, et al. Ultraflexible endovascular probes for brain recording through micrometer-scale vasculature. Science 381, 306–312, 2023.