作者：馮冰彥

審核：徐晶晶

科幻作品從上個世紀初至今已有近100年的歷史，其表現(xiàn)形式涵蓋了文學、電影、漫畫、游戲等諸多領域，志在以藝術、幻想的方式來表現(xiàn)科學技術遠景及社會、生產力的發(fā)展對人類的影響。在這100年的時間里，誕生了無數(shù)偉大的科幻作品如《攻殼機動隊》、《黑客帝國》、《三體》等等，今天我們就聊一聊科幻作品和現(xiàn)實世界中的腦機接口技術。

腦機接口是什么

腦機接口這個概念是1973年，由UCLA的雅克達維爾教授提出的，是指大腦（神經系統(tǒng)）與外部機器直接連接，實現(xiàn)大腦和機器的信息交流。腦主要由神經元組成，是人體的控制器 ，它通過我們的眼睛、耳朵、皮膚獲取到外界的信息，同時也會向我們的肌肉發(fā)出控制信號。如果把人體比作一臺電腦，那么眼睛、耳朵就是鼠標鍵盤，是輸入設備；肌肉、聲帶就是顯示器、打印機，是輸出設備。 而腦機接口就是跳過基于肉體的一些生物學功能，讓腦直接和機器實現(xiàn)信息交換的設備。

說到這，很多人會想到《黑客帝國》。在《黑客帝國》中，現(xiàn)實世界的人類需要通過插入連接器的方式進入到“母體”世界中。這種“腦后插管”的方式便是典型的侵入式腦機接口，與之對應，像《刀劍神域》《頭號玩家》中的游戲頭盔是非侵入式的腦機接口。

將信號輸入大腦

我們對現(xiàn)實世界的感受其實就是外界對大腦的信息輸入，感光細胞受到光線刺激后產生電流傳遞給大腦視覺中樞，形成視覺；耳蝸中的毛細胞把聲信號轉化為生物電，經聽神經傳遞給大腦聽覺中樞，形成聽覺。目前，我們在“電子眼”與“電子耳”方面已經有了一些進展。

人工耳蝸不再依靠外耳、中耳的傳導和放大功能，也不利用毛細胞聲信號-電信號的轉換能力，而是靠體外處理器將聲音轉為電信號并直接刺激聽神經，再傳導到聽覺中樞產生聽覺。目前，能夠被大家所熟知的人工耳蝸品牌就是國外的三大產品：澳大利亞Cochlear公司的Nucleus，美國Advanced Bionics公司的Clarion及奧地利MED-EL公司的產品。隨著國內微電子技術的發(fā)展，我們也有了國產的人工耳蝸包括諾爾康、力聲特和愛益聲。

仿生眼與人造耳蝸類似，在視網膜上植入電極，將植入物連接到一副眼鏡、一臺照相機和一臺便攜式微型計算機上。相機捕捉進入植入者視野的圖像，并將這些圖像發(fā)送到計算機，計算機將它們轉換成電信號，然后傳輸?shù)诫姌O。電極根據在視野中檢測到的光模式刺激視網膜神經節(jié)細胞，從而使大腦獲得視覺。

目前，仿生眼的普及程度還遠不及人工耳蝸，只有Second Sight、Phoenix 99等少數(shù)公司的產品能投入商用，但是據世界衛(wèi)生組織的數(shù)據，全世界至少有 22 億人受到某種形式的視力障礙，從輕度視力受損，到完全失明。面對如此巨大的市場，我相信這項技術終會普及。

在電影《黑客帝國》中，有這樣一個橋段，主角通過腦機接口直接加載程序，學習了包括柔道在內的多種知識，這可能實現(xiàn)嗎？

2009年，美國南加州大學的 Theodore Berger 教授做了一項實驗，他在一個老鼠的大腦里面放上了一個能夠進行神經記錄和刺激的芯片。然后，他把這個老鼠放在籠子里面，如果它去吃左邊的東西就對其電擊。慢慢地，這只老鼠開始自發(fā)的到右邊吃東西。隨后，Theodore Berger 把這個芯片從這只老鼠體內取出，植入到另外一只從來沒有去過這個實驗場景的老鼠的大腦里。結果，這個老鼠自動就跑到了右邊的地方去吃東西，永遠不去左邊。這意味著，記憶是有可能被移植的。

2013年，麻省理工大學的研究員在老鼠身上實現(xiàn)了記憶植入。研究人員把老鼠放在不同盒子里，讓老鼠能區(qū)分安全、危險的盒子。通過對老鼠記憶細胞進行光刺激，改變了老鼠對于不同盒子的記憶，使老鼠在安全盒子中感到恐懼。

或許，隨著腦科學的發(fā)展，我們真的可以靠記憶植入進行學習。

接收大腦信號

在電影《明日邊緣》中，湯姆·克魯斯飾演的威廉少校使用外骨骼戰(zhàn)斗的橋段令人印象深刻，而如今依靠腦機接口的外骨骼技術已取得進展。

杜克大學的Miguel Nicolelis是相關領域的領軍人物。2008年，他成功讓猴子在美國控制了一具在京都的機器人行走。而猴子在自己沒有運動的情況下依然可以繼續(xù)控制京都的機器人的行動。這就表明大腦可以適應新功能，并且為之搭建一套新的連接。從2010年開始Miguel Nicolelis就著手為下肢癱瘓的29歲巴西青年Juliano Pinto制作一身外骨骼。2014年巴西世界杯上，Pinto就身著這身外骨骼為巴西世界杯進行了開球。

面向運動功能的腦機接口是非常流行的研究方向，若干研究小組已經能夠使用神經集群記錄技術實時捕捉運動皮層中的復雜神經信號，并用來控制外部設備，這項技術如果能普及的話，四肢受損的殘疾人就能夠恢復正常生活了。同時，這項技術也被應用于救援，軍事等方向。除了老牌的美國，以色列，日本等國家，我國也有許多公司加入了這一領域，如大艾機器人、傅里葉智能等。

除了接收控制運動系統(tǒng)的信號外，意念打字也成為了現(xiàn)實。在斯坦福大學、布朗大學、哈佛醫(yī)學院等團隊的合作下，通過植入電極，可識別用戶試圖書寫的26個字母或5個標點符號，可實現(xiàn)每分鐘輸出73.8個字母，約為15個單詞。

腦機接口的未來

作為人體中最復雜的器官，我們對大腦的了解還太少。隨著腦科學的發(fā)展，腦機接口的功能也會越來越強大。使盲人復明，使癱瘓者行走，使聾啞人開口說話，這些傳說中的神跡會因科學來到人間。在其他領域，腦機接口被認為是元宇宙的終極解決方案，是人與人、人與世界溝通方式的革命。

與此同時，相應的倫理挑戰(zhàn)與安全風險同樣值得我們重視。電極本身的生物安全性需要嚴格考量，高精度的腦機接口系統(tǒng)可以讀取大量的中樞神經活動信息，不僅涉及更多的個人隱私，而且也會產生新的神經倫理學問題。

腦機接口技術的適用或運作范圍也需嚴格規(guī)范。當前已實際應用的腦機接口技術多專注于功能的恢復、改善或替代，但未來腦機接口技術在功能的補充與增強方面也將有長足的發(fā)展。隨著大腦功能和神經機制不斷被揭示，腦機接口系統(tǒng)可能將功能增強至超越自然的水平。這就涉及增強的限度、安全性與公平性等問題。解決此類問題需要醫(yī)生、科學家、工程師、倫理學家、政府監(jiān)督機構和患者權益團體進行密切對話與合作，來共同制定可操作性的倫理準則。

參考文獻：

醫(yī)學領域應用腦機接口技術的倫理困境 《中國醫(yī)學倫理學》2019年 第10期 | 周吉銀 劉丹

Willett, F.R., Avansino, D.T., Hochberg, L.R. et al. High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature 593, 249–254 (2021).

Vision quest，Wired Magazine，2002年9月

Controlling robots with the mind，Scientific American，2002年9月16日

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