■本报记者 唐玮婕
如果看过电影 《阿凡达》，你一定会对这个情节记忆犹新：双腿残疾的男主人公利用机器把自己全部的心智复制到一个“阿凡达”的躯壳后，就能随心所欲地去感知和操控。人脑与机器实现直接沟通，这样的科幻场景，正在一步步进入我们的真实生活。
就在今年1月，美国食品和药物管理局(FDA)批准正规医疗机构可向患者提供使用一家名为“赛博动力”(Cyberdyne)的日本公司研发的机械外骨骼，它又被称为外骨骼机器人。除用来辅助肢体残疾患者走路外，还可以帮助患者康复肢体运动，可完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等动作。据“赛博动力”介绍，与肢体绑定后，这类机械外骨骼是通过附着在腿部肌肉的传感器检测大脑发送到肌肉的生物信号，然后根据信号进行移动。通俗地说，它好比是在患者身体上安装了一部的小型“机器人”。但和普通机器人的最大不同之处是，普通机器人由外部电脑控制，但这台外骨骼机器人则由患者的自主意识直接控制。目前，脑机接口技术正吸引着越来越多的科学家和大型商业机构投入其中。这些尝试依然处于初期阶段，但已经有人把“脑机接口”视作下一个风口。在美国，特斯拉和“太空探索技术公司”(SpaceX)首席执行官埃隆·马斯克、脸书(Facebook)首席执行官马克·扎克伯格等“大咖”的摇旗呐喊，更让这一领域的进展备受瞩目。
技术尚在“婴儿期”
研究脑机接口技术，我们首先要考虑的是：大脑和机器之间有没有“最优”的连接方式？
众所周知，人类的大脑是一个非常神奇和复杂的器官。过去几十年中，神经学家在了解大脑方面已经做了大量的努力，却远远没有彻底搞清楚其运作的机理。因此，目前的脑机接口技术尽管发展非常迅速，但还相当原始，可以算是婴儿期，主要攻克的领域集中在医疗健康方面，比如，日本科技公司“赛博动力”(Cyberdyne)研发的外骨骼机器人等。
科学家指出，事实上，为了采集大脑发出的信号，研究人员通常采用的方式包括“侵入式”———在大脑皮层的表面直接植入电极，以及“非侵入式”———也就是并不真正进入大脑。相对而言，“侵入式”的优点是所获取的神经信号质量更高，但也容易引发免疫反应等问题，因此风险更大，对技术的要求更高。
为了让脑机接口完成更多的挑战，研究人员正在不断尝试将更多的人工装置“完美植入”人类的大脑，这些装置不仅要求具备安全、微小、无线连接、超低能耗等特性，能够非常迅速地捕捉、分析、传输人脑随时涌现的海量数据，还要与更多的神经元产生交互、应付人脑环境。
在美国布朗大学，一个跨学科团队正在研发的“神经颗粒”让人眼界大开。“神经颗粒”可以放在大脑皮层上部或者植入到大脑内部，每一个颗粒如同糖粒一样大小，包括内置的放大器、模拟数字转换器，以及可以将数据传送到中转站的装置，中转站通过感应的方式给颗粒充电，并将信息传到外部的处理器。眼下，这一全新的植入方式已经处于小白鼠测试的阶段。
采集大脑中的数据，或者把数据反向传递给大脑还是艰难的第一步，接下来的问题是如何处理这些数据。
采集大脑数据的过程中会有很多的干扰因素，包括工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等，因此，我们需要更好的算法来解码这些信息。由于实验数据始终非常稀缺，目前的智能算法在排除干扰上仍有很大的改进空间。有专家指出，在脑机接口中进行信号处理的最佳路径，或许是把人工智能领域的机器学习和大脑可塑性结合起来。
“商业化”跃跃欲试
尽管一些突破性的实验成果令人振奋，但实事求是地说，脑机接口技术，距离真正的商业化依旧非常遥远。
首先是神经科学本身还处于相对早期，现有的植入物只能记录大脑信号的很小一部分，而且神经技术很难走出实验室。试想一下，如果采取“侵入式”方法获取大脑信号，只要电线穿过头骨和头皮，就可能产生感染的风险。而且，在医疗研究领域，临床试验要取得监管批准也相当困难。
其次，研发一个有效的脑机接口离不开一个庞大的跨学科团队，知识涉及的领域包括神经科学、材料科学、医学、生物学、计算机、电气工程、物理、设计等等。而每一项学科的研发进展，例如更精确的电极、更明晰的神经科学认识、更强大的机器学习算法、更生物友好的材料等，都需要耐心等待。
此外，还在天上“飘”的技术，都会遇到类似的财务挑战：投资回报期长、技术含量高，监管政策的不确定，都会对投资者产生不利影响。
有意思的是，这种踌躇不前的局面，眼下似乎正悄然被资本打破，一些敢于冒险的投资家开始涌入———
2016年10月，美国一家支付企业“脑树”(Braintree)创始人布莱恩·约翰逊宣布向“核心”(Kernel)公司投资1亿美元。这家企业的主要研究方向是通过植入可诊断的大脑假体，以帮助那些有记忆问题的患者。
“难以想象，到2050年，人类会处于一个无需主动提升自己的世界，”在约翰逊看来，人工智能的兴起需要伴随着人类能力的同步升级。他期待着通过脑机接口技术，人类能随心所欲地获得新技能，或者与他人“心意相通”。
抱着与布莱恩·约翰逊类似想法的还有大名鼎鼎的埃隆·马斯克。就在去年，他创立了一家名为“神经连接”(Neuralink) 的新公司，目标直指开发一款远比当前脑机接口更为先进的装置。
马斯克在接受采访时透露了他大胆、甚至有些疯狂的想法，“人类大脑中有许多想法，要与其他人交流，就需要把它们压缩为口头或书面语言；而其他人接收到语言信息时，还要再进行解压……整个过程其实相当低效率。在未来，如果安装有“神经连接”设备的人想进行交流，他们就不必借助语言，可以直接通过神经信号交流大脑的想法。”
目前，“神经连接”已经组成了一个由多个课题组组成的核心团队，成员包括研究人员、工程师和外科医生等，覆盖实现“神经连接”开发全脑脑机接口所需要的诸多领域。
根据马斯克的计划，“神经连接”将首先帮助最需要的人群，在2021年前开发残疾人临床使用的脑机接口。“这一技术将首先用于修复因中风、切除肿瘤造成的大脑损伤，用于帮助四肢瘫痪或下肢瘫痪的患者恢复活动能力”。
无独有偶，去年4月，脸书也对外宣布进军脑机接口技术，立马引起业内不小的讨论。扎克伯格准备投入大量资本及人才打造一个“意念打字”的项目，利用接口允许人们直接利用意念每分钟输入100个单词。整个技术开发小组共包括60多名研究人员。
眼见着资本跃跃欲试，与商界人士往往抱有科技狂想的疯劲相比，一直呆在实验室里琢磨脑机接口技术的专家要显得更为冷静：毕竟神经科学还在进步之中，许多令人激动万分的雄心壮志目前还只是空想。
伦理争议已经浮现
看过阿尔法狗 (AlphaGo) 与柯洁的人机大战，很多人都会产生这样的疑惑：人类终有一天会被人工智能彻底打败吗？ 脑机接口技术的兴起，似乎就是用来打消这样的顾虑的。
至少马斯克对此深信不疑。他曾经公开表示，人类需要进化成半机械人，来迎接人工智能时代。“人工智能似乎每天都在进步，目前，人工智能已经可以自学，它比人类更善于学习的那一天可能很快就会到来。”他进一步称，计算机智能和生物智能的融合，将帮助人类保持对人工智能的经济竞争力。
原本，脑机接口算不上一个新概念，历史上已经出现过多种形式的脑机接口，但大多数脑机接口目前都只支持人脑向电脑发布指令，也就是给予人控制外部世界的能力，帮助残障人士提高运动力和交流力，而不是被动接受外部世界的控制。因此，关于脑机接口的伦理争论一直不活跃，动物保护组织对这方面的研究关注也不多。
如今却有人提出，脑机接口技术发展到一定程度后，不但可以帮助修复残疾人恢复受损的功能，还能增强正常人的功能，这无疑会带来一系列关于“何为人类”“心灵控制”的问题争论。尤其是当硅谷这些科技狂人时不时对外发表一些石破天惊的想法后，伦理问题就更加引人关注起来。
“人类可以阻止机器人对自己的奴役。”马斯克设想的技术手段是：将微电极植入大脑，扩充人脑的计算能力。他希望利用脑机接口实现人脑和电脑的双向通信，从而提高人类的思维能力、记忆力、决策能力，最终提高人类的智力。
对此，美国凯斯西储大学人机接口技术领域的专家佩德兰·穆赫辛尼指出，马斯克的认知强化目标针对的是正常人类，希望能直接读取人类的思维，从而越过低效的语言和写作，直接交流思想。当初，马斯克正是从这位教授手中买下了“Neuralink”这个名称的使用权。
马斯克不是唯一一个认为脑机接口技术浪潮即将到来的人。“这听起来实在有些疯狂。”穆赫辛尼表示，人类现有技术很难在可预见的未来实现这些设想———有些设想已经进入了不现实的境地。
在穆赫辛尼看来，能在健康人体上实现的认知强化系统，至少还需要15年的研发。对于企业而言，比较现实的目标，仍然是辅助残障人士的商机。
英国埃塞克斯大学脑机接口实验室高级研究主管达维德·瓦雷里亚尼正在领导一个研究团队开发基于脑电波的非接触式脑机接口，试图探测人类决策时的无意识大脑活动。“当谈及增强人脑的方案时，很多人没有考虑其引发的更多问题，其中一个就是：人脑和电脑的界限在哪里？”瓦雷里亚尼表示，解决伦理问题的途径之一，是让用户自愿决定是否使用脑机接口。
图为“赛博动力”(Cyberdyne) 公司两年前研发的机械外骨骼手臂。本版图片 视觉中国
什么是脑机接口
如果说当今什么技术最接近科幻小说描绘的场景，那一定是脑机接口。
脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是指在人或动物脑与外部设备间建立的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下，计算机或者接受脑传来的命令，或者发送信号到脑(例如视频重建)，但不能同时发送和接收信号；而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。
目前，脑机接口的研究已经实现了意识打字(一分钟内平均输入39个字母)，还实现了意识控制，比如人类控制小鼠的行为，让其完成复杂的任务，与此同时，“意识上传”领域的研发也有一定的进展。科学家认为，脑机接口最具商业前景的技术，是帮助残障人士恢复各种部分丧失、甚至完全丧失的能力，比如视觉、听觉等。此外，它还可将非人类感知能力转变为人类感知能力，比如对于超声波的感知能力(就像从蝙蝠身上获取这个能力一样)，或者感知磁场等，让人类从此拥有“超能力”。
长远来看，脑机接口研究的进展和商业化开发，对脑电的机理、脑认知、脑康复、信号处理、模式识别、芯片技术、计算技术等各个领域都提出了新的要求，人们也会大大加深对大脑结构和功能的认识。
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电脑和大脑“越走越近”
从“捕捉脑电波”到“意识打字”，脑机接口日益顺畅
1924年 德国神经学家汉斯·伯格成功地记录了首个人体脑电波图(EEG)，由此打开了科学家们用脑电波辨识、描摹和控制人类意识行为的大门。
1969年 美国华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究。
1990年代 美国杜克大学的米格尔·尼科莱利斯教授是支持用覆盖广大皮层区域的电极来提取神经信号、驱动脑机接口的代表。在对老鼠进行的初步研究获得进展后，他在猴子身上实现了能够提取皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验。到2000年为止，尼科莱利斯的研究团队成功完成了让猴子操纵游戏杆来获取食物，并重现其手臂运动的脑机互动。这一脑机接口装置可以实时工作，也可以通过互联网远程操控机械手臂。
2000年后 来自美国布朗大学的唐纳修博士用猴子作为实验对象。他和团队成员训练了一批猴子，让它们学会把屏幕上的光标移动到指定位置。然后，又将电极植入猴子的大脑皮层，以从猴子的大脑收集数据，并转化成电脑可以识别的命令。当猴子观看屏幕的时候，它的脑电波能通过电脑控制光标到达指定位置，从而达到了追踪视觉目标的目的。
2004年 一个名为“脑门”(BrainGate)的系统被植入到瘫痪者的脑中。这个系统由美国布朗大学研发，名为犹他电极阵列的小电极阵列可被安全植入到患者的运动皮层中。这些电极对神经元进行监测，如果被植入者在其意识中试图移动手或胳臂，神经元所释放的电信号将通过电线从人的颅骨中传送到解码器，从而被转换成各种各样的系统信号，例如帮助被植入者移动光标、控制肢体等。
2009年 美国南加州大学西奥多·伯格博士的团队研制出能够模拟大脑海马体功能的神经芯片。海马体是人类大脑中负责将短时记忆向长期储存转换的部分，海马体一旦受损或病变，即会使人患上阿尔茨海默症、癫痫等疾病。该团队的这种神经芯片在对猴子、老鼠的实验中，通过人造海马体完成了短时记忆向长期储存记忆的成功转换，这也是第一种高级脑功能假体。
2014年 巴西世界杯足球赛开幕式上，一名截瘫男子凭借脑机接口，用意念控制机器人外骨骼“机械战甲”开球。
2016年 美国明尼苏达大学的一支研究团队取得重大突破，他们让普通人在没有植入大脑电极的情况下，只需佩戴安装有64个电极的高科技EEG帽子，凭借“意念”，在复杂的三维空间内完成物体控制，包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。该研究成果可以帮助上百万的残疾人和神经性疾病患者。
2017年 美国斯坦福大学电气工程教授克利须那·谢诺伊和神经外科教授杰米·亨德森发表论文宣布，他们成功地让三名受试瘫痪患者通过简单的想象精准地控制电脑屏幕的光标，这三名瘫痪患者通过想象在电脑屏幕上输入了他们想说的话，其中一名患者可以在一分钟之内平均输入39个字母。
唐玮婕