一、前言

通過(guò)在腦后插入一根線纜，我們就能夠暢游計(jì)算機(jī)世界；只需一個(gè)意念我們就能改變“現(xiàn)實(shí)”；學(xué)習(xí)知識(shí)不再需要通過(guò)書(shū)本、視頻等媒介，也不需要在花費(fèi)大量的時(shí)間，只需直接將知識(shí)傳輸?shù)酱竽X當(dāng)中即可。這是1999年上映的經(jīng)典科幻片《黑客帝國(guó)》當(dāng)中，為我們描繪的畫(huà)面。這并非是天馬行空的幻想，而是基于早已有之的“腦機(jī)接口”技術(shù)的的合理設(shè)想。

7月17日，Space X及特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克召開(kāi)發(fā)布會(huì)，宣布成立兩年的腦機(jī)接口（BCI）公司Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)獲重大突破，他們已經(jīng)找到了高效實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的方法。這實(shí)際上是一套腦機(jī)接口系統(tǒng)：利用一臺(tái)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人向人腦中植入數(shù)十根直徑只有4-6微米的“線”以及專有技術(shù)芯片和信息條，然后可以直接通過(guò)USB－C接口讀取大腦信號(hào)。與以前的技術(shù)相比，新技術(shù)對(duì)大腦的損傷更小，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也更多。

Neuralink的最新技術(shù)成果的公布，也徹底引爆了外界對(duì)于“腦機(jī)接口”技術(shù)的關(guān)注。

而除了Neuralink的“侵入式”腦機(jī)接口技術(shù)之外，“非侵入式”腦機(jī)接口技術(shù)也迎來(lái)了新的突破。7月30日，F(xiàn)acebook一直資助的加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的腦機(jī)接口技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，首次證明可以從大腦活動(dòng)中提取人類說(shuō)出某個(gè)詞匯的深層含義，并將提取內(nèi)容迅速轉(zhuǎn)換成文本。

毫無(wú)疑問(wèn)，腦機(jī)接口技術(shù)將是未來(lái)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)極為重要的關(guān)鍵技術(shù)。但是腦機(jī)接口技術(shù)并不現(xiàn)在才有的，在此之前已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年的時(shí)間。正如Neralink總裁Max Hodak在當(dāng)天發(fā)布會(huì)上所說(shuō)，“Neuralink并不是憑空產(chǎn)生，在這以前的學(xué)術(shù)研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史，從很大意義上來(lái)說(shuō)，我們是站在了巨人的肩膀上。”

** 二、關(guān)于人的大腦**

在介紹腦機(jī)接口之前，我們非常有必要來(lái)了解一下人的大腦。

人類頭部最外層是頭發(fā)，頭發(fā)下面是頭皮，然后你以為接下來(lái)就到顱骨了——但其實(shí)中間還有大概 19 層?xùn)|西才到顱骨。

在你的顱骨和大腦之間，又有這樣一堆的東西（如下圖），在顱骨下面，大腦被三層薄膜包裹著，它們分別是硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、軟腦膜。

作為整個(gè)大腦最重要的部位，大腦的皮質(zhì)層幾乎無(wú)所不能——它負(fù)責(zé)處理聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)及感覺(jué)信息，同時(shí)還掌管著語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)、思考、計(jì)劃、性格等諸多方面。

整個(gè)大腦皮質(zhì)層每個(gè)部位所做的東西都很多，而且彼此之間存在大量重疊的功能，不過(guò)我們可以簡(jiǎn)單概括為如下這張圖：

所以不同類型的腦機(jī)接口需要獲取不同區(qū)域的大腦皮質(zhì)層發(fā)出的信號(hào)。

三、什么是腦機(jī)接口技術(shù)？

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface， BCI）：它是在人或動(dòng)物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的一種全新通訊和控制技術(shù)。

在該定義中，“腦”意指有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”（抽象的心智）。“機(jī)”意指任何處理或計(jì)算的設(shè)備，其形式可以從簡(jiǎn)單電路到硅芯片到外部設(shè)備和輪椅。“接口” = “用于信息交換的中介物”。

“腦機(jī)接口”的定義=“腦”+機(jī)“+”接口”。即，在人或動(dòng)物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間創(chuàng)建的用于信息交換的連接通路。

腦機(jī)接口作為當(dāng)前神經(jīng)工程領(lǐng)域中最活躍的研究方向之一，在生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要的研究意義和巨大的應(yīng)用潛力，近10年來(lái)，腦機(jī)接口技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和飛速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴(kuò)大。

四、腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

腦機(jī)接口技術(shù)是通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備從大腦皮層采集腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)換為可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提取特征信號(hào)，再利用這些特征進(jìn)行模式識(shí)別，最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。

一個(gè)典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要包含4個(gè)組成部分：信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分、控制設(shè)備部分和反饋環(huán)節(jié)。其中，信號(hào)處理部分包括預(yù)處理、特征提取、特征分類3個(gè)環(huán)節(jié)。

1、信息采集

從目前的研究水平來(lái)看，我們?cè)谠u(píng)估某種信息采集手段優(yōu)劣時(shí)需要考慮三個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)：

規(guī)模——可以記錄多少神經(jīng)元。

分辨率——這個(gè)工具接收到的信息的細(xì)致程度。這里所說(shuō)的分辨度可以分成兩種：空間上的分辨率（能否細(xì)致記錄單個(gè)神經(jīng)元的觸發(fā)情況）和時(shí)間上的分辨率（能否確定你所記錄的活動(dòng)的確切發(fā)生時(shí)間）。

侵入性——是否需要手術(shù)？如果需要，手術(shù)的影響范圍有多大？

而腦機(jī)接口的分類，則通常是根據(jù)“侵入性”被分為：非侵入式（腦外）、侵入式和半侵入式。

非侵入式： 是指無(wú)需通過(guò)侵入大腦，只需通過(guò)附著在頭皮上的穿戴設(shè)備來(lái)對(duì)大腦信息進(jìn)行記錄何解讀。這種技術(shù)雖然避免了昂貴和危險(xiǎn)的手術(shù)，但是由于顱骨對(duì)于大腦信號(hào)的衰減作用，以及對(duì)于神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應(yīng)，使得記錄到的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率并不高，很難確定發(fā)出信號(hào)的腦區(qū)或者相關(guān)的單個(gè)神經(jīng)元的放電。

侵入式： 是指通過(guò)手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，但是卻存在著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本。另外，由于異物侵入，可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤痕組織），導(dǎo)致電極信號(hào)質(zhì)量衰退甚至是消失。另外傷口也易出現(xiàn)難以愈合及炎癥反應(yīng)。

半侵入式： 即將腦機(jī)接口植入到顱腔內(nèi)，但是在大腦皮層之外。主要基于皮層腦電圖（ECoG）進(jìn)行信息分析。雖然其獲得的信號(hào)強(qiáng)度及分辨率弱于侵入式，但是卻優(yōu)于非侵入式，同時(shí)可以進(jìn)一步降低免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率。

典型的非侵入式系統(tǒng)有腦電圖（EGG），腦電圖是有潛力的非侵入式腦機(jī)接口的主要信息分析技術(shù)之一，這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)良好的時(shí)間分辨率、易用性、便攜性和相對(duì)低廉的價(jià)格。

但是，腦電圖技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題是它對(duì)噪聲的敏感；另一個(gè)使用EEG作為腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)障礙是用戶在工作之前要進(jìn)行大量的訓(xùn)練。

2、信息分析

收集好了足夠多的信息后，就要進(jìn)行信號(hào)的解碼和再編碼以處理干擾。腦電信號(hào)采集過(guò)程中的干擾有很多，如工頻干擾、眼動(dòng)偽跡、環(huán)境中的其他電磁干擾等。

分析模型是信息解碼環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，根據(jù)采集方式的不同，一般會(huì)有腦電圖（EGG），皮層腦電圖（ECoG）等模型可以協(xié)助分析。

信號(hào)處理、分析及特征提取的方法包括去噪濾波、P300信號(hào)分析、小波分析+奇異值分解等。

3、再編碼

將分析后的信息進(jìn)行編碼，如何編碼取決于希望做成的事情。比如控制機(jī)械臂拿起咖啡杯給自己喝咖啡，就需要編碼成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，在復(fù)雜三維環(huán)境中準(zhǔn)確控制物體的移動(dòng)軌跡及力量控制都非常的復(fù)雜。

但編碼形式也可以多種多樣，這也是腦機(jī)接口可以幾乎和任何工科學(xué)科去結(jié)合的原因。最復(fù)雜的情況包括輸出到其他生物體上，比如小白鼠身上，控制它的行為方式。

4、反饋

獲得環(huán)境反饋信息后再作用于大腦也非常復(fù)雜。人類通過(guò)感知能力感受環(huán)境并且傳遞給大腦進(jìn)行反饋，感知包括視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等等。

腦機(jī)接口要實(shí)現(xiàn)這一步其實(shí)是非常復(fù)雜的，包括多模態(tài)感知的混合解析也是難點(diǎn)，因?yàn)榉答伣o大腦的過(guò)程可能不兼容。

BrainCo團(tuán)隊(duì)表示，其開(kāi)發(fā)的智能假肢處于世界領(lǐng)先水平，可以完成多種復(fù)雜的日常操作，其中包括彈鋼琴。該產(chǎn)品上市后定價(jià)預(yù)計(jì)在兩萬(wàn)人民幣以內(nèi)，是目前主流智能假肢價(jià)格的二十分之一。

（5） 重獲缺失的感知能力：除了通過(guò)思維控制一些設(shè)備之外，未來(lái)甚至有望幫助部分喪失的感知能力的人群再次獲得感知能力，比如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等；此外，還可以將非人類感知能力轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惛兄芰Γ@其實(shí)是非常逆天的，比如對(duì)于超聲波的感知能力（就像從蝙蝠身上獲取這個(gè)能力一樣），再比如感知磁場(chǎng)等，就像擁有了超能力！

“強(qiáng)化”方向少的原因：第一是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)難度高；第二是因?yàn)槭袌?chǎng)還未被充分教育，思維范式在短期內(nèi)難以改變，付費(fèi)意愿因技術(shù)能力不足而未達(dá)到臨界值，但軍用領(lǐng)域?qū)嶋H上已經(jīng)有了不少的應(yīng)用了，軍方也投入了大量資金。

最后，還值得補(bǔ)充的是“保健方向”，也就是冥想減壓，有創(chuàng)業(yè)公司推出腦波檢測(cè)頭環(huán)，幫助用戶通過(guò)實(shí)時(shí)音頻反饋來(lái)提升冥想效果。其實(shí)，在北美，冥想的市場(chǎng)是非常大的，這是一個(gè)絕對(duì)可以挖掘的細(xì)分市場(chǎng)。

**2、娛樂(lè) **

在娛樂(lè)方面，BCI技術(shù)的前景也是非常的廣闊，比如可以與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，無(wú)需額外的外設(shè)操控設(shè)備，可以直接通過(guò)思維來(lái)控制游戲種的角色，獲得更加沉浸式的游戲體驗(yàn)。目前，在這塊做得比較超前的公司是MindMaze，其融資總額已超1億美元。

3、教育

這個(gè)方向其實(shí)和醫(yī)療方向中的“恢復(fù)”方向會(huì)有些接近。教育科技是個(gè)千億級(jí)的市場(chǎng)，目前，腦機(jī)接口創(chuàng)業(yè)公司BrainCo就在做這一方向，主要是對(duì)學(xué)生注意力值的實(shí)時(shí)探測(cè)和訓(xùn)練，既可以而幫助老師及時(shí)了解課堂情況改變教學(xué)情況，也能夠幫助學(xué)生提高注意力。