出品：科普中国

作者：王飞（神经科学博士）

监制：中国科普博览

人类的大脑虽然只有1.5千克左右，但是其复杂程度可谓是世界之最。正是因为有如此复杂的大脑结构，才使得人类拥有了最为高深莫测的思维能力。但是当我们用这颗聪明的大脑试图回头研究我们自己的大脑到底是如何运转的时候。我们却发现，它就像一个黑盒子，我们根本不知道它是如何工作的。这就好比一群原始人看到了现在的电脑主机，他们左右摸索着这个方盒子，却不知道它的工作原理。

复杂的人脑就像一个黑盒子

（图片来源：Edward Chang 实验室主页）

一、在大脑上开个窗口

正是因为对大脑还所知不多，全球各地的科学家们都在如火如荼地展开对脑的研究。可以说，脑科学是21世纪的一个研究热点和前沿领域。在人类了解清楚自己的大脑之前，我们其实早就想给这个黑盒子开个窗口了。通过这个窗口，我们能够读取黑盒子里面的信号，指挥外面的机器运行。这个窗口就被称为脑机接口（brain-computer interface，简称BCI；或者brain-machine interface，简称BMI）。

脑机接口是通过电生理技术，读取脑中的电信号后将它们翻译为我们能够理解的信息，之后再利用这些信息指挥电脑或者机器运行的技术。这种技术可以直接用大脑指挥电脑或者机器，这与大脑通过身体的运动或通过语言来表达思想，进而指挥机器运转不同；它省去了这些中间的步骤，因此相比其他交互方式，脑机接口可以更高效、更精确地传递和解码大脑的意图。最重要的是，对于一些不能通过肢体输出信息的人，他们哪怕全身瘫痪，也可以借助这项技术控制体外机器，能极大提高生活质量。

脑机接口原理图

（图片来源：Wikipedia）

二、通电后我们实现了意念操控

人类自古就对意念操控怀有想象和期待。在中国的武侠世界里，高手们可以以气御剑、隔空取物。而在魔法巫术中，只要甩一甩魔杖也能隔空移动物体。但这些都只是想象，直到现代，科学家才通过科学技术实现了意念操控。1963年，英国医生Grey Walter为定位癫痫病人脑内病灶，在大脑皮层不同部位放置电极，来找到异常放电的区域。有意思的是，他将记录脑电信号的机器连接到让病人观看幻灯片的装置,结果病人一想，幻灯机就自动换片。这可能是人类历史上首次实现用大脑直接控制机器。

当然，这一奇迹的发生绝不是偶然，而是几代人几十年科学探索的结果。这其中最为重要的一个发现就是1924年德国精神科医生汉斯·贝格尔发现脑电波（Electroencephalogram， EEG），证明了人类的思想可以通过电信号读取。随着神经科学的发展，人类可以记录大脑中更多、更精细的信号，如脑皮层电图（Electrocorticography，ECoG）、局部场电位（Local field potential, LFP）、事件相关位（Event-related potential，ERP）等信号，我们甚至能够记录单个神经元的尖峰电位(Spikes)。当我们能够读取大脑的信号后，用这些信号来控制外部设备就变得顺理成章了。但是，直到这个世纪之前，脑机接口技术都仅存在于实验室中，大众对其少有耳闻。

不同检测大脑电活动的方式

（图片来源：2022脑机交互神经调控前沿进展白皮书）

2018年，特斯拉和星链的CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）宣布Neuralink公司在脑机接口研究上取得重大进展，这一消息一经发布就引起了全球关注。虽然这一进展对专业科研人员来说意义不大,但马斯克作为名人的科普效应使公众突然意识到这个前沿技术的存在。

自此,“脑机接口”一词广为流传,许多人想象这项技术很快就能实现《阿凡达》中控制外星人躯体的场景。只要躺在密闭舱内戴上一个设备,即可控制另一具身体进行各种活动。科幻片仿佛一下子变为现实，如果以后谁不用脑机接口控制汽车，或像《黑客帝国》中那样控制直升机，谁就像会被时代抛弃一般。

埃隆·马斯克介绍Neuralink公司在脑机接口方面的进展

（图片来源：Wikipedia）

三、大脑输出的不足

用大脑直接控制外部设备的场景很酷，这让我想起了小时候《忍者神龟》动画里的大反派克朗—-一个生活在机器人肚子里的大脑。但是对普通人来说，直接用大脑控制机器有必要吗？我们有手有脚，通过鼠标和键盘，我们就能将自己的思想接入互联网，为什么需要将大脑直接和外部联系起来呢？我们为什么需要脑机接口这一技术？

这个问题的答案其实已经隐藏在上文中了，因为在很多时候，我们大脑的输出是不足的，这种不足主要体现在三个方面。

《忍者神龟》中的大反派克朗

（图片来源：《忍者神龟》）

首先，当我们的大脑无法通过常规的输出手段指挥仪器时，直接读取和破译大脑信号控制机器就变得必要了，这是目前大多数脑机接口应用局限于高度瘫痪患者的原因。我们都知道，伟大的物理学家霍金因为患上了脊髓性肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis， ALS）,全身肌肉萎缩无法运动，但他的大脑却是清醒的，因此才能研究黑洞的奥秘。由于大脑向外输出信息也需要借助肌肉运动，但是对像霍金这样的ALS病人来说，他们几乎和僵尸一样，想和外界交流只能通过眼球选择字母来实现。此时，给他们带上脑机接口设备，就可以读取他们的想法，并指挥机械臂运动。无论是拿吃的，还是打字，脑机接口可以让他们与外界重新联系起来。

一名高位截瘫患者通过脑机接口控制机械臂

（图片来源：Richard Andersen实验室网页）

其次，就是虽然大脑向外界输出的功能正常，但是不能达到新时代的要求。比如我们再厉害，也只有一双手、两只脚，而在一些很复杂的机器上，这显然是不够的。当我们看到飞机上上千个按钮的时候，就知道手忙脚乱是什么意思了。如果像哪吒一样有三头六臂,操控高级机器会更轻松。在生理上，这是不可能的，但通过脑机接口却能实现。此外，从大脑传输信号到肌肉，再到肌肉牵动骨骼运动，虽然时间很短，但毕竟存在时间差，这对许多要求快速反应的工作来说非常必要。例如，通过脑机接口技术，航天员直接用大脑来输出操作指令，既省去了他们在失重环境里运动花费的大量时间，又减少了体力消耗。

类似飞机驾驶舱的工作环境需要快速准确的反应，脑机接口技术就很有必要

（图片来源：Pxhere）

最后，我们虽然能用意识控制我们的活动，但很多时候潜意识的行为我们是无法控制的。比如生气时的怒不可遏，高兴时的兴高采烈，都是不是我们意识能够控制的，也不是通过肢体操作可以实现的。这时候就需要脑机接口来直接读取这些潜意识的思想，让其变成输出，直接表现出来。可以想象，以后情侣间通过脑机接口交流，再也不需要用表情包了。表情包再精彩,也难以表达真实感受,选择又费时。届时,脑机接口直接读取情绪，将量化情绪传输至对方大脑,实现两人感同身受。一人伤心,另一人也随之伤心；一人快乐,另一人也禁不住傻笑。这就有点像《阿凡达》电影中纳美人通过特有的“辫子”进行精神交流了，这种交流技术应该就是基于现有的脑机接口技术幻想而来的。

《阿凡达》电影中纳美人通过“辫子”进行精神交流

（图片来源：《阿凡达》电影剧照）

四、实现思维的数字化

从上文我们就能知道，脑机接口的研究是有现实意义的。那么，如果未来脑机接口研发成功，它能给未来的世界带来哪些改变呢？这个技术有多么厉害，他为何能够改变我们的未来呢？与之前的工业革命、信息革命中的技术相比，它具有哪些不同之处呢？

首先，脑机接口在人类精神检测和精神疾病诊断将有巨大的应用。精神疾病一直困扰着人类，一方面因为精神疾病发病机理还不清楚，另外一方面是因为精神类疾病很难判断和观察到。现在有的很多精神疾病的判断仅仅是通过行为学量表，多数是医生主观的判断，很少有像糖尿病、高血压这样的病，通过一两个血液指标就能判断。这就导致很难区分正常人和精神病人，正常人被无辜抓进了精神病医院，而很多人的精神疾病却难以发现。

而脑机接口的一个应用就是记录大脑负责情绪的脑区，或者记录大脑发生异常变化的脑区。通过直接读取大脑内部的信号，找到大脑运行异常时的电学指标，那我们就可以对精神类疾病进行一个定量的研究了。而且，一旦实现了对人类精神活动的检测，那我们就可以进而对精神疾病进行调控了。在抑郁症的患者中，当脑机接口检测到患者进入到重度抑郁状态时，可以自动控制刺激系统给大脑一个刺激信号，或者发送危险信息给医生或家属，让他们及早对患者进行预防自杀的干预。在癫痫发作的病人中，无须再将患者送到医院救治，闭环式的脑机接口在检测到脑电集体爆发时，就可以开启保护模式，让患者大脑恢复正常。

癫痫的脑电波

（图片来源：Richa Nakrani ）

其次，脑机接口可以实现大脑和外部世界的直接互联。人类进入21世纪后，计算机技术、互联网技术、移动互联网和物联网技术得到了飞速的发展。现在我们每天在网上看到的信息可能比之前人们一年看到的信息都要多，更别说网上各种信息的传递和存储，这就是为什么现在大数据和人工智能能够实现并且火爆的原因了。但是当这些海量的数据涌向我们的时候，人类的大脑也只能通过眼睛看、耳朵听来接受这些信息。网上哪怕有再多的信息，到了人脑的输入时就遇到了瓶颈。不仅接收信息受限，输出信息也只能通过双手的操作，或者语音控制，其信息流还是太小了。因此，如何实现人脑和外界的直接沟通，那将是后信息化社会的发展趋势之一。

脑机接口就可以实现这一目的，通过脑机接口，我们可以直接用大脑控制家里的智能电器。以后，我们再也不会遇到你说一句方言，你家的智能家居不能识别，变成“智障家电”的情况了。你可以用脑电直接控制电视的打开，空调的关闭，甚至不用说出口，你的自动驾驶汽车就把你载到目的地了。而且，有了脑机接口的加持，在未来的虚拟游戏里，我们将更加真实的参与其中。玩家可以用意念控制游戏中的人物，不仅是行进、肢体运动，甚至交流沟通和界面转化，都在一念之间完成，这就极大提高玩家的操作体验。当然，脑机接口也可以应用到军事上去，它将彻底改变未来的战争模式。试想未来，不再是一个个身强力壮的大兵上战场，而是一群电竞少年。他们带上脑机接口的设备，坐在电脑室里，控制机器人在战场上搏杀。

未来的战场上可能都是由脑机接口控制的无人设备

（图片来源：getarchive）

最后，这项技术可以实现人类思维的数字化，让人类抽象虚拟的思想变成数字化的指令，这才是脑机接口的底层逻辑。数字化的思维，就是将人类大脑的模拟信号变成数字信号，实现数字化生存，这也为下一步的思维存储和接入互联网提供了基础。这在科研方面是十分重要的，只有我们将大脑的信号记录存储下来，我们才能更好的研究大脑不同脑区的功能。将复杂的大脑模拟信号转变成数字信号，通过数学计算，我们就能找到其内在的规律。这就是现在为什么数学建模在脑科学里应用广泛，而脑科学要想实现从实验科学到理论科学的发展，用计算机模拟人脑的运行，就必须基于对大脑活动的数字化描述。

在日常生活中，经过脑机接口，人的语言、动作都将变成一串数字。有了这串数字，在不同场合，我们就能百分百重复出来之前的动作和对话。比如齐白石或者毕加索画画，一旦灵感过去，就再也画不出绝世之作。而脑机接口如果记录了他们的思维，哪怕他们再也没有这样的灵感出现，我们也只需要将灵感数字指令再次播放，就能产生出类似的画作。这样人类的很多精神创造就会被很好的记录。人世间很多绝美的思想灵光也将得以永存。

五、人类会后怕吗

科技总是一把双刃剑，它在劈开人类征服世界道路上的荆棘时，也会将其锋利的一面对向人类自己。脑机接口也是这样的一项高科技，如果人类能够将其利用好，那就会极大提高我们的生产力，而如果它被不怀好意的人利用了，那也将贻害无穷。因此，对脑机接口的伦理讨论也是一个重要的话题。只有将这项技术控制在为人类谋福利的前提下，它才能得到健康和持续的发展。

关于脑机接口伦理的讨论，主要集中在：确保安全的情况下进行手术，神经数据的隐私性和保护性，患者应该知情同意后才能进行手术，谨慎将脑机接口技术应用到更大的范围，获得脑机接口的人对普通人的不公平对待等。试想将来，一些人的工作不仅被人工智能取代，一些体力劳动者也会被安装着脑机接口的残疾人取代。因为他们控制的外骨骼或者机器具有更大的力量和操作精度。而社会在对他们进行保护的同时，是否又伤害了其他普通人的感情？社会大众会对装着脑机接口的人歧视吗？他们到底是“超人类”还是“残疾人”？这些问题都将限制着脑机接口技术的发展

在脑机接口技术中存在许多问题，比如数据泄露问题、歧视问题以及公平性的问题，都需要我们一一解决

（图片来源：Wikipedia）

对于脑机接口的伦理讨论将会是一个漫长的过程，甚至会超过技术的研发过程。人类往往对科学的进步比较快速地接受，但是对于文明和精神的进步却缓步不前。我们期望各种新兴科技能够造福人类生活，但是也需要人类的文明和社会组织形态能够跟上步伐。要不战争和杀戮就会出现，来弥补这两者之间的裂痕。

来源: 中国科普博览

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