猴子已替人類做好試驗，腦機接口將成新的康復方式
你還記得巴西世界杯開幕式上那個身著“機械戰甲”開球的高位截癱少年嗎？作為一項通向未來的新技術，腦機接口通過這一記開球向全世界得到了成功的展示。6月13日，這套裝備的設計者、被稱為“機械戰甲之父”的美國杜克大學醫學院神經生物學教授米格爾.尼科萊利斯帶著新書《腦機穿越》中文版來到清華大學，暢想腦機接口這個“just thinking”的未來世界。
機械戰甲之父：猴子已替人類做好試驗，腦機接口將成新的康復方式
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大腦被接上電極的猴子們
在著名科幻電影《黑客帝國》中，主人公尼奧在虛擬世界中僅通過思維進行交流。現在“腦機接口”已經接近我們多年來的幻想，僅通過大腦意念，就可控制外部世界！
在這項技術的支持下，未來我們可以用大腦控制計算機，靠意念打游戲或駕駛汽車，甚至可能實現“大腦聯網”，從而像尼奧一樣通過思維交流。
如果說，作為萬物之靈長——人類的大腦是待解的終極謎題，那么，理解了與人類接近的動物——猴子的思想，是否會離終極答案更近一步？
在尼科萊利斯的實驗室里，最多的就是猴子，有的猴子可以操作機械手，有的可以玩游戲，有的可以在跑步機上跑步........不過，尼科萊利斯手下最著名的猴子，還是2003年他所作的“理解猴子的思想”這個經典實驗的主角。尼科萊利斯在演講中回顧了自己當年的實驗。
機械戰甲之父：猴子已替人類做好試驗，腦機接口將成新的康復方式
▲米格爾·尼科萊利斯表示，腦機接口技術給我們認識大腦帶來了一個全新的角度。（供圖/湛廬文化）
2003年，尼科萊利斯團隊把電極陣列植入到猴子的大腦中，以檢測猴子的運動意圖。他們將一個屏幕擺在猴子面前，屏幕中會出現一個圖形，猴子用一個操縱桿可以控制這個圖形移動，這時猴子的神經活動會被計算機記錄下來。
然后，這些信號經解碼后輸送到機械手臂，機械臂就模仿了猴子的動作，從而控制了圖形移動。
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▲猴腦電信號的記錄（圖片來源http://www.businessinsider.com/monkeys-controlled-wheelchairs-with-their-minds-2016-3）
一段時間后，這只猴子意識到思考圖形就可以移動圖形，無需再借助操縱桿。它就放棄了操縱桿，直接通過“思想”進行游戲。這表明，猴子意識到了運動神經的能力，并且形成了一個很重要的概念：這些神經細胞的活動認識到了外部的機械臂，并把它當成了自己的一部分。另外，猴子會為了控制目標而改變它的神經細胞活動，展示出了極強的大腦可塑性。
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▲“動物英雄”恒河猴使用腦機接口原理圖，尼科萊利斯透露，完成任務后獎勵它喝果汁，結果猴子太能干，喝了太多的果汁（圖片來源于網絡）
2008年，團隊又為一只名為Idoya的猴子植入了一個新的電極，電極記錄大腦運動皮層和感覺皮層的信號，計算機解碼后發送到一個雙足機器人上，以實現通過猴子來控制機器人，這個雙足機器人遠在日本京都。Idoya可以在面前的屏幕上看到這個名為CB的機器人，并與機器人同步在跑步機上走動。實驗發現，Idoya一直在思考走路時對機器人實現的控制。
一小時后，關閉猴子的跑步機，但是猴子仍然能夠繼續引導機器人正常行走幾分鐘，這表明一部分不是控制猴子運動反應的運動神經已經可以控制機器人，就像它自己的延伸。尼科萊利斯解釋，當猴子想要香蕉時，大腦的神經信號就變得完全不同了。
通過對猴子運動神經的研究，尼科萊利斯團隊做出了較為成熟的腦機接口系統，并把這套系統應用于人身上，比如用于輔助殘疾人對假肢的操控。
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▲現在尼科萊利斯團隊已經開始研究讓猴子用大腦來駕駛了（圖片來源網絡）
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什么是腦機接口：繞過神經和肌肉的信息通路
看了猴子的實驗，想必大家對腦機接口有了一定的認識。腦機接口（brain-computer interface,BCI）是在大腦和計算機或其他電子設備之間建立不依賴于常規大腦信息輸出通路（即外周神經和肌肉組織）的直接信息傳輸通路。
接口的意思就是人腦與設備之間形成一個中介，簡單來講，就是不需要語言或者動作，人可以直接通過腦來表達想法或操縱設備。
尼科萊利斯對于腦機接口這樣解釋：“我們的腦電波發出信號，再把這些信號和機器結合起來，就能夠控制人為設計出來工具的活動。而該接口可以實現大腦與相關設備迅速高效地連接，無論距離遠近，也無論這些機器的大小，即使它像航空飛船一樣大。”
對腦機接口技術的研究起始于上世紀七十年代，加州大學洛杉磯分校的J.J.Vidal首次使用了brain-computer interface一詞來表示大腦與外界的直接信息傳輸通路，提出了腦機接口的雛形，因此他被認為是BCI的發明者。
腦機接口的實現途徑則可以追溯到上世紀二十年代腦電波（EEG）的研究，腦電波圖與腦部疾病的關系研究為大腦活動研究提供了可能性。1988年首次報告了用腦電α波信號控制移動機器人，目前這種無創的腦電波采集方法正是實現腦機接口的最主要方式之一。除此之外，還有腦磁（MEG），功能磁共振（fMRI）、功能性近紅外光譜（fNIRS）以及有創的皮層腦電（ECoG）、神經元群體記錄等信號采集技術。
▲腦機接口技術發展簡史（圖片來源：futurism.com翻譯：硅谷live）
腦機接口是一門涉及多個領域，包括神經科學、計算機科學、應用數學、生物醫學工程、臨床醫學、心理學等等的交叉學科。所以受限于技術發展，腦機接口直到20世紀末才真正的快速發展起來。目前，腦機接口研究的主要集中在聽力、視覺及運動神經受損的恢復，尤其是對于幫助嚴重的殘疾患者（如脊髓側索硬化、腦干或脊髓損傷）恢復控制能力。
尼科萊利斯說，通過虛擬現實和外骨骼系統，大腦通過一點點纖維活動可以跟外部的肌肉之間重新建立連接，而且大腦的組織方式也發生了變化。不僅能感覺運動，甚至能夠排尿。“一位殘疾的女士甚至決定重新懷孕，因為有了這個系統之后，她能夠感覺到自己的孩子。有這個系統之后，這位女士差點兒可以自然生產，因為生產要感知到壓力和用力，但是因為其他一些病癥，骨髓硬化等原因，最后剖腹產。”
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腦機接口分為侵入、半侵入和全侵入
那么腦機接口是如何實現的呢？實現整個技術的大概步驟是：把通過各種方式采集到的大腦信號先進行信息分析和解碼處理；然后再將其重新編碼，如何編碼取決于希望完成的事情。最后，也是最復雜的一步，把獲得的環境反饋信息如視覺、觸覺、聽覺等再作用于大腦。
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▲腦機接口形式一般以信息采集方式為主劃分：通常被分為侵入式、半侵入式、非侵入式（腦外）（圖片來源：futurism.com翻譯：硅谷live）
在上述劃分中，侵入式和半侵入式都需要實施手術，不可避免地對動物體或人體造成傷害，非侵入式腦機接口其實就是一套可穿戴設備，雖然避免了昂貴而危險的手術，但是由于顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的分辨率并不高。
清華大學醫學院生物醫學工程系洪波教授洪波在演講后的圓桌會上也表示，尼科萊利斯原來的實驗室工作基本上都是植入式腦機接口，但是這些年的工作都是無創的腦機接口，“這說明經過這兒多年，做植入式腦機接口還是很困難的。因為你植入這么多電極，這些神經是不死的，會有反應的，會包裹電極，把信道降低。”
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從猴到人，高位截癱少年身著“機械戰甲”開球
2014年的巴西世界杯開幕式，年僅14歲的高位截癱少年，身著“機械戰甲”，實現了用大腦控制下肢運動，最后完成了開球，可以說是非侵入腦機接口可穿戴設備的一次成功展示。尼科萊利斯也因此被譽為“機械戰甲之父”。
值得一提的是，這位少年鞋子上的傳感器能感受到地面情況然后通過電刺激的方式返回到病人的上肢，不同的地面（草地、陸地），給予不同的電流讓他感受到了不同地面情況。大腦可以學會理解這種感受，就像真的觸覺到地面一樣。
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▲2014年，截癱青年朱利亞諾·平托頭戴非植入式腦電信號電極頭盔，身著“機械戰甲”，依靠腦機接口系統為巴西世界杯開出了第一球（圖片來自網絡）
這也是尼科萊利斯團隊的另一個非常重要的工作——“重新行走”項目。他們借助腦機接口技術，讓一位高位截癱病人通過控制外骨骼系統重新行走，并且控制肢體的反饋能回到大腦，病人可以感受到外部的觸覺。這樣的技術可以讓患者主動參與到自身的康復過程中來，療效遠好于傳統的被動式康復。
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未來腦機接口應用領域多元
腦機接口在人方面的應用，最早是對視覺神經的輔助。早在1978年，美國生物醫學研究者William Dobelle就通過神經外科手術將68個電極陣列植入到一位后天失明的殘疾人視覺皮層中，眼鏡上裝置一個小型照相機將信號發送到一臺巨大的計算機以解碼，最終他成功地感受到了光的感覺。就這樣，視覺腦機接口最早實現了商業用途。
在神經修復方面，與腦機接口相近的神經假體技術應用最為廣泛，例如人工耳蝸。兩者本質上相近，只是神經假體更偏向于神經的相連，而腦機接口是指與大腦直接相連，兩者的目標一致，都是幫助病人恢復神經系統。
實現信息交流與控制一直是腦機接口的發展目標之一。最著名的例子就是霍金，他是肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者，有相對完整的思維能力，但喪失了對肌肉和外周圍神經系統的自主控制能力，因而不能有效地向外界表達自己的想法。這時利用腦機接口技術，將他腦中所想的信息轉換成可識別的活動意圖，實現信息表達。
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▲霍金沒有依靠腦機接口交流，但“意念”交流仍是腦機接口未來趨勢（圖片來源于網絡）
應用在這方面的腦機接口一般分為兩類，一類是基于自發腦活動的腦機接口，如想象運動，這也更接近科幻電影中的用大腦控制物體。目前已經實現對輪椅、遙控器、假肢等物體的控制，缺點是這類腦機接口的信息速率相對較慢，識別一次想象運動需要數秒的時間。
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▲用意念控制機器人（圖片來源：BrainCo）
第二類是基于誘發腦活動的腦機接口，待表達的高級思維活動意圖分別用不同的外部事件（如不同空間位置呈現的圖形、不同頻率的聲音等）進行表示，人通過注意特定的外部事件序列以實現意圖的表達。
例如，應用于字符輸入著名的P300腦機接口就是輸入字符后，利用不同形式刺激呈現（如單個字符閃爍、顏色變化等），人的注意力會集中在目標字符上，大腦對目標的響應約為300ms，實現了更快的思維活動狀態識別。這也是P300名字的由來。目前，清華大學和中科院半導體所進行的視覺編碼腦機接口已經可以做到每分鐘輸入10個單詞，接近了實用水平。
▲P300腦機接口字符輸入（圖片來源網絡）
除了輔助殘疾人的主動式腦機接口應用，在這些研究中不斷積累的經驗逐漸發展出了被動式腦機接口，研究出一些列準確、可靠地實時思維活動狀態識別算法，用于識別人主動發起的特定思維活動，也可用于識別和連續監測人的各項基礎認知功能狀態。
例如，識別飛行員等特殊作業崗位人員的認知負荷、疲勞程度等，為安全作業提供了有效客觀地數據。這類腦機接口的初步研究已經延伸到了媒體（觀眾情緒體驗）、教育（學習反饋）、甚至電子游戲的體驗上，應用前景十分廣泛。
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扎克伯格、馬斯克都進軍腦機接口
目前，隨著科技進步以及目前一些商業巨頭的介入，腦機接口已然成為一個熱門話題。然而這些炫酷的技術能實現嗎？我們在幻想未來時，也應該看到目前的研究水平有限，大熱的腦機接口是否只是商業模式上的“畫餅”，我們還應理性對待。
Facebook提出了實現“讀心術”，像科幻電影中僅利用腦電波進行交流，他們準備將腦機接口的語言輸入提升到每分鐘100字，同時打造商用設備。
特斯拉與SpaceX的創始人埃隆·馬斯克則建立了“神經織網（Neuralink）”公司，旨在將人工智能直接植入人類大腦皮層，從而提高人類智能，但這種方式的安全性也受到極大的質疑。
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▲Facebook創始人馬克·扎克伯格對腦機接口顯示出了極大的興趣，但也有科學家認為，社交媒體、億萬富豪應該利用資源解決更重要的醫療和科學問題（圖片來自網絡）
然而這些炫酷的技術能實現嗎？我們在幻想未來時，也應該看到目前的研究水平有限，大熱的腦機接口是否只是商業模式上的“畫餅”，我們還應理性對待。
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腦機接口仍面臨技術難題和倫理爭議
未來是美好的，但也要看到我們目前對大腦了解還不多，大量的神經信號無法解碼，高級意識狀態難以數字化，研究背后還有一系列工程技術問題。中科院半導體所研究員王毅軍表示，Facebook每分鐘100字的目標難以實現：“因為他們是要解碼語言中樞的神經信號，離真正的技術化還有很大距離。”
除了信號解碼難度極大外，采集方式也面臨著問題。有創的，或半植入式的腦機接口更像一把雙刃劍，它能夠提供更好的信號質量，解碼更豐富的神經活動、識別速率也更高更準確，但同時面臨手術感染、長時間使用生物兼容性等問題，當然還有更實際的工程問題、如帶寬、供電等。
美國腦科學計劃實現同時記錄1萬個前驅細胞活動的技術，清華大學生物醫學工程系洪波教授表示，如此密集的電極插入會破壞近一半的細胞，解碼大腦的全部信息也僅是理論上的。顯然，在采集信號方面，無論是有創無創，提高質量保證安全都是未來腦機接口要實現的目標之一。
同時，腦機接口一直以來存在的倫理問題也存在爭議。如果腦機接口未來能夠讀取意識，必然產生一系列的問題：腦機接口是否能夠完全代表人的理性思維？是否會使大腦進行改變？如果某個人使用腦機接口在你毫不知情的情況下，完全侵入并了解你的思維，就不是單純的隱私性問題了。
