2005年，美国作家、谷歌未来科学家雷·库兹韦尔在其《“奇点”临近》的书中预言，2045年，人类将走向永生。他认为随着人工智能及其他技术进步，到2045年，人类会因“脑机融合”“人机融合”而走向永生。时至今日，脑机接口的研究成果不断涌现。6月30日，华为“一种脑机接口装置和信息获取方法”专利公布；在刚刚结束的夏季达沃斯论坛上，天津大学研发团队将研发的脑机接口成果带到现场，通过采集并“解码”大脑皮层神经元信号，可实现对抑郁症的定量评估；今年5月，马斯克参与创办的脑机接口企业Neuralink宣布，已获美国食品和药物管理局（FDA）批准开展人体试验，将启动首次脑植入物人体临床研究……
那到底什么是脑机接口？脑机接口将为我们的生活带来哪些改变？11月15日，由河南省科协主办，大河网承办的科普中原百家谈第三十五期节目邀请郑州大学教授胡玉霞和研究员张利朋做客大河网直播间，为我们科普脑机接口新技术。
概念丨脑与设备的信息交换
要想了解脑机接口，必须先明白这项技术到底是什么。“脑机接口，指在人脑或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接通路，实现脑与设备的信息交换。人类与外部设备进行交互的常规通路是外周神经和肌肉系统，而脑机接口是通过解读大脑的思维直接控制外部设备。”胡玉霞首先为大家介绍了脑机接口的概念。
张利朋表示，一个典型的脑机接口系统主要包括四个组成部分，分别为信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节。信号采集部分实现的功能是获取人或动物神经信息，如头皮脑电；信号处理部分的功能是从神经信息解码人或动物的思维或者意图，并将其转化为控制外部设备的指令；控制设备就是接收并执行大脑发出的控制指令的外部设备，如外骨骼、机器人、轮椅、无人机等；反馈环节的功能是把神经信号的解码结果或者外部设备的执行过程通过视觉、触觉等方式反馈给人类大脑的通道或者装置。
根据获取脑电信号的方式，脑机接口技术可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三大类。侵入式是指通过手术将电极植入大脑皮层内，可以实现对单个神经元或神经元集群活动信息的记录。而非侵入式是通过附着在头皮上的穿戴式设备对大脑信息进行记录，如头皮脑电。半侵入式介于侵入式和非侵入式之间，将信号采集电极植入颅腔内，是在大脑皮层表面，不破坏大脑皮层，获取的是大脑皮层的神经信号。
原理丨用“意念”控制外部设备
现在明白了脑机接口的概念，那它到底是如何实现指令操作的交互融合呢？“我们的大脑是由1000亿个神经元通过相互连接组成的一个庞大的、复杂的网络。”胡玉霞说，当我们思考时，大脑皮层中的神经元会产生微小的电流，不同思考活动激活的神经元和脑区也不同，产生的神经信号也不相同。脑机接口便是采用电极提取大脑中的神经信号，并通过解码大脑的思维或意图来控制外部设备。简单地说，脑机接口实现的是用“意念”控制外部设备，直接通过大脑向机器发送控制指令。
“人们研究脑机接口的主要动机有恢复或提升残疾人的机能、增强人的感知认知和运动能力、揭示脑和心智的奥秘、用于神经性和精神类疾病的辅助诊断、实现高度人机融合以及未来实现人与人之间思维的直接或静默交流等。”张利朋向大家介绍了研发脑机接口技术的原因。
人类对大脑的探索从来没有停止过，脑机接口为科学家研究大脑和认知提供了独一无二的窗口,通过它可以探测到大脑思维活动时的时空信息、特定脑电成分、各脑区的连通与协作关系等，有助于理解大脑的功能和工作模式。
人脑与人工智能系统的无缝连接是许多公司和研究机构追求的愿景，脑机接口被视为实现人与人工智能深度融合的关键技术之一。
实现两个大脑之间的直接通信,是许多科学家追求的终极目标，双向脑机接口技术是实现该终极目标的唯一途径。
发展丨从实验室走到现实世界
自1924年首次记录到脑电波以来，人们就探索采用脑电信号进行通信和控制的可行性。1973年正式提出了“脑机接口”的概念，脑科学和机器科学的研究逐渐交融，脑机接口技术也得到了迅速发展。
脑机接口的发展可以分为三个阶段：从记录到脑电波到1970年之前，是学术探索阶段；1970年到2000年左右是科学论证阶段；2000年以后，尤其是2014年世界杯上一名高位截瘫的青年通过控制机械外骨骼开球，到了应用推广期。“近十年来，随着相关技术的发展，脑机接口已逐步离开实验室走到现实世界，逐步走向临床治疗，也包括少量的其他领域。”胡玉霞说。
脑机接口主要应用在哪些领域？“脑机接口技术研究的初衷是有效地恢复患者因疾病或外伤丧失的运动功能和交流能力。目前脑机接口在医疗领域应用比较广泛，如治疗偏瘫、失语、截瘫病人，意识障碍或昏迷的患者的脑功能评估，还有抑郁症、自闭症的诊断和治疗等。”张利朋表示。
脑机接口技术在军事领域属于前瞻性研究和尝试应用，如通过意念控制武器用以降低人员伤亡；利用脑机接口分析战士情绪、注意力、记忆力等生理、心理指标，监测作战人员的生理和心理状态，提升作战人员军事技能。在教育方面，脑机接口技术可以实时监测学员的大脑状态，通过分析和评估大脑状态与学业表现之间的关系建立基于脑机接口的个性化教学环境。在娱乐游戏方面，可以将脑机接口技术与虚拟现实技术相结合，实现用“意念”玩游戏，不仅可以提升游戏的娱乐性，对一些肢体障碍的玩家也可以提升游戏的友好度。在日常生活方面，脑机接口可以扮演“遥控器”的角色，帮助人们用“意念”控制开关。
痛点丨仍有一系列难题待解决
胡玉霞表示，脑机接口技术虽然发展迅速，但也存在许多有待攻克的难关，其中既包括技术本身的难关，也包括人文社会方面的难题。
从技术方面来说，首先是脑电信息的获取问题。在技术上，目前的脑机接口还有许多技术局限，尤其是受信号获取的难度和精度的限制，使得如何处理嘈杂的电信号、获得高信噪比的脑信号，成为需要攻克的首要技术难题。其次，如何高效、稳定、准确地识别和解释脑机接口系统所采集到的不同类型和模式的脑电信号，从而理解大脑的思想和意图，这是一个需要重点攻克的难题。然后，研发出更加友好的人机交互界面是需要攻克的另一个技术难题。目前的多数脑机交互界面具有使用困难、反应滞后等问题，如通常需要对用户进行训练，要求注意力非常集中，会使用户产生不适、疲劳感，甚至因挫败而产生失望感等，大大限制了脑机接口的使用范围和效率。
同时，脑机接口的研发和使用还面临多种需要解决的人文社会方面的问题，尤其是伦理难题，如脑机接口技术使用中的安全性、知情权、隐私、公平、主体性和身份认同感等。需要哲学、社会科学领域和伦理学的专家一起来思考脑机接口技术的相关问题，以确保这一前沿技术的应用合情、合理、合规。
未来丨可以激发人的想象力的技术
脑机接口技术未来的发展方向是什么？能够为我们的生活带来哪些改变？“脑机接口技术的发展是一个不断从科幻走向现实、从动物实验走向人体试验、从实验室走向临床和家用、从医疗领域走向其他领域的过程。”张利朋说，尽管脑机接口的不少构想仍处于实验甚至概念阶段，但无疑会带给我们冲击认知、震撼人心的未来前景，甚至会给我们的学习和生活带来颠覆性改变，所以它被评价为一种“可以激发人的想象力的技术”。
《脑机接口技术的发展现状、难题与前景》一文中指出，根据预期的长短，将脑机接口技术的趋势或前景大致分为近期、中期和远期未来，其中近期的任务主要是解决一些迫切的技术难题，提高脑机接口技术安全性和有效性，使其成为可靠而又高效的治疗疾病的手段；中期的主要任务是不断拓展治疗的广泛性，更多地治愈甚至基本消除人类的残疾现象；远期的主要任务是期待通过脑机融合来实现人类增强，使人类智能与机器智能通过强大的脑机接口而联结和整合起来实现协同工作，形成更强大的脑机融合智能，为人类开创一个崭新的未来。
美国食品药品监督管理局批准了马斯克大脑芯片公司的临床试验，这意味着脑机接口从动物试验迈向病人的临床应用，这一步是脑机接口新突破。“但脑机接口的植入可能对人体形成手术的创伤和感染问题以及芯片植入人体后长时间工作导致的生物相容性问题的危害。”胡玉霞表示。
由于侵入式脑机接口涉及人体内部的操作和对大脑功能的直接影响，涉及隐私、人权等伦理问题。所以，在对脑机接口技术的研究和使用过程中，国家需要制定相关法规，规范这种技术的研发、测试和使用，以保护公众的健康、安全和权益。
现状丨脑机接口技术在我国不再是一种假想
脑机接口技术已经成为全球竞争的关键技术战场，中国和美国是该技术的重要发源地和市场。“在西方国家推行他们的‘脑计划’时，我国也推出了自己的‘脑计划’，制定了‘一体两翼’的发展规划，以推动脑科学、脑机接口技术的发展及其在临床中的应用。”张利朋表示。
脑机接口技术在我国已不再是一种假想，在研发和应用方面取得了一些进展，中国在非侵入式脑机接口采集与传感技术方面具有领先优势。近年来，中国在该领域的专利申请量飙升至全球总量的35%，美国占30%，日本占10%。“在侵入式脑机接口方面，我国武汉衷华脑机融合科技发展有限公司的‘侵入式脑机接口系统’已通过11位顶尖专家的认定。”张利朋说，专家组认为其“侵入式脑机接口系统”达到国际领先水平，他们生产的微针具有高可靠、高稳定的机械与电气特性，能够广泛用于神经信号记录与神经元刺激，同时提供多种电极规格选择，最大通道数可达65536，是Neuralink产品3072通道的20倍。
另外，Neuralink公司正在为首次人体临床研究招募志愿者，而我国已经在相关临床试验领域取得了一定的突破。上海交通大学医学院附属瑞金医院的脑机接口治疗难治性抑郁症临床研究项目的成果显示，运用脑机接口技术对神经进行调控，患者术后抑郁症状平均改善超过60%。
清华大学长聘教授、中国脑机接口“华瑙奖”卓越学者奖获得者高小榕在接受媒体采访时表示，我国脑机接口目前几乎和美国同步发展，已经是一个脑机接口研究大国，从2019年开始相关文章发表数已超过美国，位居世界首位，但文章影响力还需提升。另外，中国每年有一个世界最大规模的脑机接口大赛。
河南丨已运用在临床医疗和康复领域
在河南省科普日期间，脑机接口已经出现在了展区，而一些脑机接口操作的智能产品体验店也已经线下落户，那么脑机接口离我们的日常生活还有多远？“今年的河南省科普日期间，展出了郑州大学、河南省脑科学与脑机接口技术重点实验室研发的便携式脑控手功能康复训练系统。”胡玉霞表示，该系统采用运动想象脑机接口技术，通过“意念”操控康复机械系统，实现大脑和肢体同步训练的功能。说明脑机接口技术已经从实验室走向了实际应用，特别是在临床医疗和康复领域。
近年来非侵入式的脑机接口技术取得了快速发展，目前已经出现了用于临床和康复领域的一些产品，在娱乐、教育和儿童注意力提升方面的脑机接口产品也有报道。但是大部分脑机接口技术的研究还处于试验阶段，距业界所期待的适用于健康人群的脑机接口系统的面世还需要一个较长的过程。特别是人们所期待的记忆提取和植入、知识灌输等科幻类功能的脑机接口技术还需要漫长的过程，仅技术的积累和启动人体临床试验就可能耗费数年时间。
据介绍，在工信部指导下，中国信息通信研究院牵头成立了脑机接口产业联盟，以快速地推进我国脑机接口技术的发展。联盟已经召开了学术研讨会，与各方研究人员共同制定10个脑机接口的领域、中国脑机接口的相关标准，相信很快就能做出一些成绩。
“我们相信，随着技术的进步和成本的降低，脑机接口技术将逐渐普及化，不久的将来，脑机接口技术将成为人类生活和工作中不可或缺的一部分。”胡玉霞表示，在这个阶段，会不断涌现出各种商用的BCI，如沉浸式脑控游戏、脑控机器人、脑控汽车、脑控智能家居、虚拟世界导航、记忆和认知能力增强、测谎、安保与身份识别、脑控艺术等等。
供稿人：李世文
