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

出品：科普中國(guó)

作者：錢(qián)昱（中國(guó)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(guó)科普博覽

世界上大多數(shù)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的文明在早期都認(rèn)為心臟是人類(lèi)精神的載體，認(rèn)為感覺(jué)與思考的內(nèi)核位于心臟，而大腦不過(guò)是冷卻器官。

直到二十世紀(jì)前后，隨著生理學(xué)和解剖學(xué)等醫(yī)療技術(shù)手段的進(jìn)步，人們才逐漸意識(shí)到，大腦才是思維器官，由此人們觀念中“想”的載體逐漸從“心”轉(zhuǎn)移到“腦”，但要“成事”，光思考是不行的，還要付諸于實(shí)踐。

某些技術(shù)正在讓“心想事成”逐漸成為現(xiàn)實(shí)，這種技術(shù)你一定聽(tīng)過(guò)，就叫腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI；又稱Brain-Machine Interface，BMI）。而在這項(xiàng)技術(shù)里，或許把“心想事成”改為“腦想事成”才更加貼切。

腦機(jī)接口概念圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)“腦想事成”

什么是腦機(jī)接口？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它一頭連著你的大腦，從紛繁密集的神經(jīng)元電信號(hào)中提取你的想法，另一頭連著計(jì)算機(jī)或機(jī)械等外部設(shè)備，直接繞過(guò)你的身體將想法變?yōu)榭刂菩盘?hào)并進(jìn)一步執(zhí)行命令。它不需要依賴你四肢的外周神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)就能直接建立大腦中樞和外部設(shè)備之間的直接信息交流。

比如下圖中的意念打字，只要你想在電腦屏幕上打一個(gè)“hello”，那么腦機(jī)接口就能直接從你相關(guān)腦區(qū)讀取信號(hào)并在電腦屏幕上打出“hello”，這個(gè)過(guò)程你只需要“想”，根本不需要敲鍵盤(pán)。

意念打字

(圖片來(lái)源：SciTechDaily）

那如今的腦機(jī)接口技術(shù)究竟發(fā)展到什么程度了呢？讓我們簡(jiǎn)要回顧下它的歷史吧。

1875年英國(guó)醫(yī)生理查德·卡頓（Richard Caton）成功在兔子和猴子腦部記錄到自流電流；1924年德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·貝格爾（Hans Berger）第一次在頭皮上記錄到人腦電信號(hào)并將其稱為腦電圖（Electroencephalogram，EEG）；1973年美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校計(jì)算機(jī)科學(xué)家雅克·維達(dá)爾（Jacques J. Vidal）正式提出了腦機(jī)接口這一概念。

這將近一百年的時(shí)間，可以說(shuō)是人類(lèi)對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)可行性的探索歷程——探索人類(lèi)能否從大腦中以某種方式獲取可用信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義的輸出。

結(jié)論當(dāng)然是：能！

首個(gè)腦機(jī)接口架構(gòu)圖

(圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3])

隨后，從1973年到2023年這50年的時(shí)間里，腦機(jī)接口逐漸從一個(gè)科幻的概念一步步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2000年巴西科學(xué)家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）團(tuán)隊(duì)成功讓一只猴子通過(guò)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，僅憑借意念就能輕松地控制體外原本不屬于它的機(jī)械臂。自此進(jìn)入21世紀(jì)以后，腦機(jī)接口技術(shù)就進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。

在人類(lèi)身上開(kāi)始進(jìn)行腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)

靈長(zhǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)成功后，下一步就要在人類(lèi)身上進(jìn)行嘗試了。

2004年美國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口的臨床實(shí)驗(yàn)，順利實(shí)現(xiàn)了用侵入式腦機(jī)接口治療癱瘓病人，使一位四肢癱瘓患者用意念掌控了電視遙控、計(jì)算機(jī)光標(biāo)移動(dòng)和機(jī)器臂抓握移動(dòng)物體的基本技能。

這標(biāo)志著腦機(jī)接口在人身上的臨床實(shí)驗(yàn)也獲得了成功。

2014年，巴西一位下肢癱瘓患者成功用意念控制了機(jī)械外骨骼并在世界杯上完成了開(kāi)球儀式，腦機(jī)接口及其配套的仿生外骨骼再一次走進(jìn)公眾的視線。

癱瘓患者成功在世界杯開(kāi)球

(圖片來(lái)源：newscientist)

2016年，已經(jīng)癱瘓臥床十年的患者通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，成功借助壓力轉(zhuǎn)化的電信號(hào)刺激大腦特定區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)功能。

這說(shuō)明該階段的腦機(jī)接口除了輸出你的想法，還能跨過(guò)脊髓給你的大腦重新輸入感覺(jué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了大腦與外界環(huán)境的雙向交互。

技術(shù)爆發(fā)期：腦機(jī)接口成果大顯現(xiàn)

2016年之后，腦機(jī)接口整個(gè)領(lǐng)域更是進(jìn)入了技術(shù)爆發(fā)期，不僅是腦機(jī)接口所需電極在材料和形態(tài)上的基礎(chǔ)研究取得了極大進(jìn)展，人工智能的高速發(fā)展也使得從大腦中采到的信號(hào)能被更有效地預(yù)處理與應(yīng)用。

“意念操控”義肢的精度進(jìn)一步增強(qiáng)。比如2019年約翰斯·霍普金斯大學(xué)的一位參與者通過(guò)不斷適應(yīng)植入大腦兩側(cè)的兩個(gè)微電極使自己能夠同時(shí)控制兩個(gè)假肢。2020年浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)又使得一名四肢癱瘓者能精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂和機(jī)械手，能夠精準(zhǔn)完成進(jìn)食和握手等基本動(dòng)作。

當(dāng)然，除了運(yùn)動(dòng)輔助治療方面的進(jìn)步外，語(yǔ)言恢復(fù)領(lǐng)域的腦機(jī)接口技術(shù)也大放異彩。

2023年6月，我國(guó)復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院牽頭發(fā)布了一個(gè)適用于漢語(yǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可從顱內(nèi)記錄中分別解碼漢語(yǔ)的詞匯音調(diào)和基本音節(jié)并組合生成語(yǔ)音，通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)幫助音調(diào)語(yǔ)言發(fā)音障礙或失語(yǔ)癥患者把“心聲”直接表達(dá)出來(lái)。

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院研究團(tuán)隊(duì)腦機(jī)接口成功發(fā)表于《Science Adances》

（圖片來(lái)源：《Science Adances》雜志）

同年8月，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校研究團(tuán)隊(duì)采用了侵入式腦機(jī)接口的方式，幫助兩名因嚴(yán)重肌萎縮側(cè)索硬化癥導(dǎo)致言語(yǔ)不清的患者以較高的準(zhǔn)確性和較適中的語(yǔ)速與他人進(jìn)行交流。

全身癱瘓亦或語(yǔ)言障礙都只是身體上的疾病而已，而目前的腦機(jī)接口技術(shù)在治療精神疾病方面也展示了其強(qiáng)大的功能。

2021年，加州大學(xué)研究人員通過(guò)在重度抑郁癥患者大腦中植入神經(jīng)起搏器緩解了她的重度抑郁癥狀。

在2020年底，我國(guó)某醫(yī)院成立了“腦機(jī)接口治療難治性抑郁癥”的臨床研究小組，在抑郁癥患者的大腦內(nèi)植入了具有腦機(jī)接口功能的腦起搏器。截至目前為止，已有23位抑郁癥患者完成了治療，抑郁狀況平均改善了60%。

結(jié)語(yǔ)

腦機(jī)接口技術(shù)正不斷從科幻走向現(xiàn)實(shí)，從起初實(shí)驗(yàn)室里的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)邁向了商業(yè)化的醫(yī)療人體試驗(yàn)了，這種“腦”想事成的技術(shù)會(huì)帶來(lái)怎樣的未來(lái)令人浮想聯(lián)翩。

當(dāng)然，當(dāng)前制約腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的因素主要還是我們對(duì)大腦工作機(jī)制的理解不夠全面。腦科學(xué)算是自然科學(xué)里面最復(fù)雜、未解之謎最多的領(lǐng)域之一了。

對(duì)于腦機(jī)接口的研究，還一直在持續(xù)中。腦機(jī)接口究竟是怎么實(shí)現(xiàn)通過(guò)“念力”操控物體的？這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在哪里？未來(lái)的發(fā)展方向是什么？我們將在下一篇文章中與你分享。

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