出品：科普中國

作者：錢昱（中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心）

監制：中國科普博覽

世界上大多數源遠流長的文明在早期都認為心臟是人類精神的載體，認為感覺與思考的內核位于心臟，而大腦不過是冷卻器官。

直到二十世紀前后，隨著生理學和解剖學等醫療技術手段的進步，人們才逐漸意識到，大腦才是思維器官，由此人們觀念中“想”的載體逐漸從“心”轉移到“腦”，但要“成事”，光思考是不行的，還要付諸于實踐。

某些技術正在讓“心想事成”逐漸成為現實，這種技術你一定聽過，就叫腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI；又稱Brain-Machine Interface，BMI）。而在這項技術里，或許把“心想事成”改為“腦想事成”才更加貼切。

腦機接口概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

腦機接口實現“腦想事成”

什么是腦機接口？簡單來說，它一頭連著你的大腦，從紛繁密集的神經元電信號中提取你的想法，另一頭連著計算機或機械等外部設備，直接繞過你的身體將想法變為控制信號并進一步執行命令。它不需要依賴你四肢的外周神經和肌肉系統就能直接建立大腦中樞和外部設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“hello”，那么腦機接口就能直接從你相關腦區讀取信號并在電腦屏幕上打出“hello”，這個過程你只需要“想”，根本不需要敲鍵盤。

意念打字

(圖片來源：SciTechDaily）

那如今的腦機接口技術究竟發展到什么程度了呢？讓我們簡要回顧下它的歷史吧。

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

這將近一百年的時間，可以說是人類對于腦機接口技術可行性的探索歷程——探索人類能否從大腦中以某種方式獲取可用信號并將其轉化成有實際意義的輸出。

結論當然是：能！

首個腦機接口架構圖

(圖片來源：參考文獻[3])

隨后，從1973年到2023年這50年的時間里，腦機接口逐漸從一個科幻的概念一步步轉變為現實。

2000年巴西科學家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）團隊成功讓一只猴子通過侵入式腦機接口技術，僅憑借意念就能輕松地控制體外原本不屬于它的機械臂。自此進入21世紀以后，腦機接口技術就進入了發展的快車道。

在人類身上開始進行腦機接口實驗

靈長類實驗成功后，下一步就要在人類身上進行嘗試了。

2004年美國團隊開展了運動皮層腦機接口的臨床實驗，順利實現了用侵入式腦機接口治療癱瘓病人，使一位四肢癱瘓患者用意念掌控了電視遙控、計算機光標移動和機器臂抓握移動物體的基本技能。

這標志著腦機接口在人身上的臨床實驗也獲得了成功。

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

癱瘓患者成功在世界杯開球

(圖片來源：newscientist)

2016年，已經癱瘓臥床十年的患者通過腦機接口技術，成功借助壓力轉化的電信號刺激大腦特定區域，從而實現了觸覺功能。

這說明該階段的腦機接口除了輸出你的想法，還能跨過脊髓給你的大腦重新輸入感覺信號，實現了大腦與外界環境的雙向交互。

技術爆發期：腦機接口成果大顯現

2016年之后，腦機接口整個領域更是進入了技術爆發期，不僅是腦機接口所需電極在材料和形態上的基礎研究取得了極大進展，人工智能的高速發展也使得從大腦中采到的信號能被更有效地預處理與應用。

“意念操控”義肢的精度進一步增強。比如2019年約翰斯·霍普金斯大學的一位參與者通過不斷適應植入大腦兩側的兩個微電極使自己能夠同時控制兩個假肢。2020年浙江大學團隊又使得一名四肢癱瘓者能精準控制外部機械臂和機械手，能夠精準完成進食和握手等基本動作。

當然，除了運動輔助治療方面的進步外，語言恢復領域的腦機接口技術也大放異彩。

2023年6月，我國復旦大學附屬華山醫院牽頭發布了一個適用于漢語的神經網絡模型，可從顱內記錄中分別解碼漢語的詞匯音調和基本音節并組合生成語音，通過腦機接口技術幫助音調語言發音障礙或失語癥患者把“心聲”直接表達出來。

復旦大學附屬華山醫院研究團隊腦機接口成功發表于《Science Adances》

（圖片來源：《Science Adances》雜志）

同年8月，美國加州大學舊金山分校研究團隊采用了侵入式腦機接口的方式，幫助兩名因嚴重肌萎縮側索硬化癥導致言語不清的患者以較高的準確性和較適中的語速與他人進行交流。

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

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

在2020年底，我國某醫院成立了“腦機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植入了具有腦機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%。

結語

腦機接口技術正不斷從科幻走向現實，從起初實驗室里的動物實驗已經邁向了商業化的醫療人體試驗了，這種“腦”想事成的技術會帶來怎樣的未來令人浮想聯翩。

當然，當前制約腦機接口技術發展的因素主要還是我們對大腦工作機制的理解不夠全面。腦科學算是自然科學里面最復雜、未解之謎最多的領域之一了。

對于腦機接口的研究，還一直在持續中。腦機接口究竟是怎么實現通過“念力”操控物體的？這項技術現在的研究重點在哪里？未來的發展方向是什么？我們將在下一篇文章中與你分享。

參考文獻：

[1]Caton, Richard. 'The electric currents of the brain'. British Medical Journal, 2 (1875)

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來源: 中國科普博覽

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