科技 | 未来已至，脑机接口正从科幻走向现实

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科技 | 未来已至，脑机接口正从科幻走向现实

2018 年 9 月 13 日 人工智能学家

来源：天大神经工程

科幻电影《机械战警》中，主人公墨菲遭遇事故，只剩下大脑和部分躯干，科学家为其打造完整的机械骨骼，墨菲通过大脑控制钢铁身躯，成为机械战警。

电影《环太平洋》中，人类能够通过脑神经连接操作机甲与怪兽搏斗，掀起了一轮机甲狂潮。

人类一直在幻想着有一天大脑能直接控制机械，取代肉体的缺陷。如果现在有人告诉你，这即将成为现实，是不是觉得很疯狂？事实上，这一天已经到来，这种技术就是本文要讲的脑机接口。

什么是脑机接口

脑机接口（brain-computer interface，BCI）通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息，构建大脑与外部世界的直接信息传输通路，在神经假体、神经反馈训练、脑状态监测等领域有广泛的应用前景。

简单说，就是实现用意念控制机器。这意味着人与机器的主要交互方式，除了手工输入，以及近几年兴起的人工智能语音交互之外，还可以直接通过大脑向机器发指令。

目前的脑机接口技术可以分为两类，一类是侵入式，比如在大脑中植入芯片，还有一类为非侵入式，比如戴上可以采集脑电波的头盔或帽子。

2014年巴西世界杯开幕式，一名腰部以下瘫痪的少年，通过BCI控制的机器外骨骼从轮椅上站起来，向前迈出几步，踢出了世界杯的第一脚球。

目前正在应用的脑机接口工具

Ø 功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，FMRI）

规模：大（能够显示整个大脑的信息）
分辨率：空间分辨率为中低，时间分辨率为极低
侵入性：非侵入性

FMRI 不是传统的脑机接口工具，但它是一种典型的记录工具——它能告诉你大脑内部的情况。

FMRI 能够扫描整个大脑，生成三维模型。

FMRI 的主要缺点在于分辨率，它扫描生成的图像确实会有一个分辨率，正如电脑屏幕上会有像素一样，只不过它的像素是三维立体的——也就是所谓的「体素」（voxel）；

其次是在于时间分辨率。FMRI 所追踪的血流量并不精确，而且会有大约一秒钟的延迟。

Ø 脑电图（Electroencephalography，EEG）

规模：大
分辨率：空间性分辨率极低，时间分辨率中高
侵入性：非侵入性

脑电图已经拥有接近一个世纪的历史，这种技术就是在脑袋上贴一堆电极：

一种完全非侵入性的脑机接口工具，脑电图可以记录下大脑中不同区域的电流活动，然后生成这样的结果：

Ø 皮质电图（Electrocorticography，ECoG）

规模：大
分辨率：空间分辨率低，时间分辨率高
侵入性：部分侵入性

皮质电图的原理跟脑电图类似，同样都会采用电极——只是这种技术会将电极放在颅骨下面，也就是大脑表面。

虽然有点可怕，但很有效，至少比脑电图的效果好多了。没有了颅骨的干扰，皮质电图能够获取更高空间分辨率（1 厘米左右）和时间分辨率（5 毫秒）的信息。

Ø 局部场电位（Local Field Potential，LFP）

规模：小
分辨率：空间分辨率中低，时间分辨率高
侵入性：高侵入性

介入脑部的微电极，直径在 10 到 30 微米之间。局部场电位领域的一项最新发展是多电极阵列（multielectrode array），它的原理和局部场电位一样，只是它会同时在皮质的某个区域同时插上 100 个微电极，如下图在4毫米x4毫米的小方块上有100个细小的硅电极，最尖端只有几微米：

Ø 单细胞记录（Single-Unit Recording）

规模：极小
分辨率：极高
侵入性：高侵入性

单细胞记录也是采用微电极，但是这种电极的尖端会变得异常细小，因此它的电阻也会大大提高。这种方式可以屏蔽掉大多数的噪音，但也会导致电极几乎探测不到任何东西——除非在它特别靠近一个神经元的时候（也许距离 50 微米），神经元发出的信号强度足以穿过电极的电阻。

由于这种方式可以探测到单个神经元的独特信号，而且没有背景噪音的干扰，所以现在我们就可以监视单个神经元的个体活动。这种方式的记录规模最小，分辨率最高。

另外还有一种电极可以更近距离地探测神经元，它们采用的是一种叫做膜片钳（patch clamp）的技术，这种电极的顶端会被移除，剩下一根细小的玻璃吸管（作者注：它的直径只有人类头发的 1/100），它可以将神经元细胞膜的一部分吸进玻璃管内，从而实现更精确的测量：

最后一种电极会真正刺穿细胞膜，并完全进入神经元内部，这种方法叫做尖锐电极记录（sharp electrode recording）。如果电极顶端足够尖锐就不会破坏神经元细胞——因为细胞膜会在电极周围闭合。

这种方式可以轻易刺激神经元，或者记录神经元内外的电压差。但是这种技术对神经元的干预时间不长——因为被刺穿的神经元无法长时间存活。

风口上的脑机接口（BCI）

随着BCI技术的成熟，众多“头号玩家”争相进入BCI领域：

Ø Neuralink

你可能知道，“硅谷钢铁侠”马斯克用Tesla推动了电动汽车的迅猛发展，用SpaceX加快了太空探索的步伐，但你可能还不知道他创办了脑机接口公司Neuralink来改造人类自身。人工智能时代以降，为了对抗强人工智能不可控的风险，马斯克正努力促进人机融合，将人类自身打造成人工智能，这或许是人类物种能够延续的最终路径。

马斯克说，“我认为，人们不喜欢的一个事实是，自己已经成为一个半机械人。与20年甚至10年前相比，人已经不是同一种生物，比如，许多人已经一刻也离不开手机。我认为，人在某种程度上已经与手机、笔记本、应用等融合在一起。”Neuralink的目标是全脑脑机接口，能够与大脑的任何区域传输神经信号，它将成为综合的“数字化第三皮层”，人类将成为半机械人

Ø Facebook

2017年，Facebook在F8开发者大会上揭晓了神秘的部门Building8，并发布了黑科技“脑机语音文本界面”，用人话解释就是：不用动手，更不用说话，脑中所想会直接展示在显示器上。