我們經(jīng)常看見(jiàn)科幻電影里面人類(lèi)應(yīng)用腦機(jī)接口技術(shù)和外界進(jìn)行雙向交流, 控制和操作外部設(shè)備, 并將外部設(shè)備的信息存入大腦. 這種腦機(jī)接口技術(shù)在科幻電影中已經(jīng)不算是新鮮題材了, 可是在現(xiàn)實(shí)生活中, 腦機(jī)接口技術(shù)到實(shí)際的應(yīng)用究竟還有多遠(yuǎn)呢?

筆者認(rèn)為, 表面腦電信號(hào)(EEG) 由于記錄信號(hào)具體形式的問(wèn)題, 很難提取到大腦神經(jīng)元放電細(xì)節(jié)的具體信息, 例如獨(dú)立的手指活動(dòng)的信息. 所以基于EEG 為核心形式的腦機(jī)接口一般被認(rèn)為只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作, 例如操縱設(shè)備開(kāi)閉, 左右上下移動(dòng)等等 (Meng et al., 2016). 雖然市面上也有一些基于EEG腦機(jī)接口商用設(shè)備, 不過(guò)一般也只能產(chǎn)生一些簡(jiǎn)單的操作信號(hào)應(yīng)用于簡(jiǎn)單的游戲場(chǎng)景， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能滿(mǎn)足人類(lèi)現(xiàn)實(shí)生活中的一些需求. 雖然也有腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用EcOG采集技術(shù), 就是信號(hào)采集電極放在顱骨以?xún)?nèi)，大腦皮層表面， 而非頭皮表面， 但其能記錄的具體大腦信號(hào)還是不能和植入電極相媲美. 而植入式腦機(jī)接口由于其將腦信號(hào)采集電極直接植入到人體大腦皮層結(jié)構(gòu)里面 (intracortical recording), 因此其采集到的腦信號(hào)在時(shí)間和空間上的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面腦電信號(hào)和 EcOG, 因此植入式腦機(jī)接口也被認(rèn)為是腦機(jī)接口應(yīng)用到真實(shí)生活中最有潛力的技術(shù)方式. 本文接下來(lái)只對(duì)植入式腦機(jī)接口做一個(gè)簡(jiǎn)要的概括.

說(shuō)到植入式腦機(jī)接口, 那么就不得不提到采集信號(hào)用的電極, 這就要說(shuō)到生產(chǎn)植入大腦電極的一家著名公司, Blackrock Microsystems. 雖然這是一家小公司, 但是在腦機(jī)接口界, 也算是頂頂大名了, 因?yàn)榇斯旧a(chǎn)的猶他電極矩陣, 是目前市面上唯一一家被美國(guó)FDA 批準(zhǔn)的 用于人體實(shí)驗(yàn)的大腦皮層植入式電極. 此電極矩陣為什么叫猶他電極呢? 顧名思義,其最早是由猶他大學(xué)的研究者研發(fā)的. Blackrock Microsystems 這家公司的前身, 也是由其相關(guān)的研究人員成立的. 

目前世界上最大最出名的腦機(jī)接口研究機(jī)構(gòu)莫非于 BrainGate了, 這是一個(gè)由幾家著名大學(xué)和醫(yī)院聯(lián)合起來(lái)的研究機(jī)構(gòu), 其中包括常春藤名校布朗大學(xué) (Brown University)，在美國(guó)醫(yī)療研究與醫(yī)療儀器開(kāi)發(fā)久負(fù)盛名的凱斯西儲(chǔ)大學(xué) (Case Western Reserve University)，硅谷著名的斯坦福大學(xué) (Stanford University)，常年在美國(guó)醫(yī)院綜合排名前四的麻省總醫(yī)院 (MGH)， 以及美國(guó)國(guó)防部下屬的老兵醫(yī)院 (Providence VA Medical Center).

早在2006年, 布朗大學(xué)的研究人員就利用植入式的猶他電極證明了此腦機(jī)接口技術(shù)可以用來(lái)控制電腦鼠標(biāo) (Hochberg et al., 2006)。 6年之后，布朗大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也表明了腦機(jī)接口技術(shù)可以進(jìn)行更復(fù)雜的操作。在其研究中，一名癱瘓病人可以利用植入式芯片對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行操控，例如喂她喝水，吃巧克力等。

在此后不久，BrainGate 又對(duì)此技術(shù)開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用，在這一次的研究中，布朗大學(xué)和斯坦福大學(xué)的研究人員用其研究表明此項(xiàng)腦機(jī)接口技術(shù)還可以讓癱瘓病人操縱電腦鼠標(biāo)進(jìn)行打字，從而和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交流 (Jarosiewicz et al., 2015)。而在2017， BrainGate 研究小組 的另一成員凱斯西儲(chǔ)大學(xué)又展示了此項(xiàng)技術(shù)的又一大重大突破，用植入式腦機(jī)接口控制植入式功能性電刺激裝置，使得脊柱截癱的殘疾人能夠通過(guò)意念控制自己的手臂， 喂自己吃東西。 這次技術(shù)的突破，不僅是讓植入式腦機(jī)接口控制病人自己的軀體，同時(shí)也是人類(lèi)歷史上第一次 從腦信號(hào)采集方式 到 軀體控制裝置（功能性電刺激）同時(shí)采用植入式技術(shù) (Ajiboye et al., 2017)。

除了BrainGate 研究機(jī)構(gòu)以外，也有一些其他的研究機(jī)構(gòu)對(duì)植入式腦機(jī)接口技術(shù)推動(dòng)做出了重要貢獻(xiàn)。例如，在2013年匹茲堡大學(xué)科學(xué)家的研究證明，植入式腦機(jī)接口技術(shù)不僅可以控制機(jī)械手臂，甚至可以操控機(jī)械手臂做出多種不同的手部動(dòng)作，從而滿(mǎn)足腦機(jī)接口用戶(hù)在日常生活中可能需要的手部抓取的功能 (Collinger et al., 2013)。而巴特萊紀(jì)念研究院和俄亥俄州立大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在2016年展示了植入式猶他電極腦機(jī)接口技術(shù)不僅可以區(qū)分不同的手部動(dòng)作，而且可以用于控制殘疾人自身的軀體， 讓其控制自己的手做出不同的手部動(dòng)作。 在其研究中，科學(xué)家和工程師表明了此技術(shù)可以用于控制表面功能性電刺激，收縮失去控制的肌肉，從而使殘疾人對(duì)自己的軀體再一次獲得控制 (Bouton et al., 2016)。這也是腦機(jī)接口研究史上第一次展示植入式腦機(jī)接口直接讓殘疾人控制自己軀體。不同于上面描述的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究， 這里的研究用的表面電刺激，而非植入式功能性電刺激設(shè)備。此外，南加州大學(xué)的Richard Anderson 團(tuán)隊(duì)也展示了基于植入式猶他電極的腦機(jī)接口技術(shù)使得癱瘓病人控制機(jī)械手臂做一些控制動(dòng)作。

雖然這些腦機(jī)接口的研究很令人振奮，但是上述這些腦機(jī)接口的研究?jī)H僅只是腦機(jī)接口技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)的一方面: 解碼大腦的信息，用于控制。 腦機(jī)接口很重要的另外一方面則是編譯外界的信息，并將其送入大腦。直觀的說(shuō)，人的本體感覺(jué)和觸覺(jué)。2014年， 凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Dustin Tyler 團(tuán)隊(duì)證明了使用外周神經(jīng)刺激技術(shù)可以恢復(fù)截肢病人的手部觸覺(jué) (Tan et al., 2014)，其后續(xù)研究更是表明了此項(xiàng)技術(shù)能夠讓截肢病人區(qū)分不同的手部觸覺(jué) (Graczyk et al., 2016)。而對(duì)于脊柱截癱病人的觸覺(jué)恢復(fù)，外周神經(jīng)刺激不再有效，是因?yàn)樯窠?jīng)信號(hào)無(wú)法越過(guò)脊柱損傷處再傳回大腦 。于是對(duì)于脊柱截癱病人的觸覺(jué)回復(fù)，刺激的部位一定會(huì)選擇在脊柱損傷處之上更靠近大腦的地方。匹茲堡大學(xué)的研究人員于2016年展示了植入式猶他電極的腦機(jī)接口技術(shù)可以提供微小電流刺激給大腦的感覺(jué)中樞， 從而恢復(fù)高位截癱病人的手部觸覺(jué) (Flesher et al., 2016)。

即便植入式腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有了上述諸多技術(shù)上的突破，但是筆者認(rèn)為，腦機(jī)接口技術(shù)從成熟到投入到臨床使用，甚至商業(yè)化為普通人所使用的道路還很漫長(zhǎng)，少則半世紀(jì)，多則上百年。

以下是目前腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展的一些重大瓶頸。

對(duì)大腦的功能認(rèn)知仍然不足。 雖然較一百年前相比，人類(lèi)對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)有了很大的進(jìn)步，但是人類(lèi)對(duì)大腦全部 功能的理解和認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。個(gè)體神經(jīng)元的放電和高層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電位波動(dòng)之間聯(lián)系，以及這些基礎(chǔ)電位變化和人體認(rèn)知行為之間的聯(lián)系還有很多很多謎團(tuán)需要我們?nèi)テ平狻?/p>

工程學(xué)上對(duì)大腦信號(hào)記錄方式的欠缺。雖然目前有各種各樣的記錄腦信號(hào)的方式， 但是都并不能滿(mǎn)足我們對(duì)大腦信號(hào)采集的要求。植入式電極作為大腦信號(hào)記錄的最精密的方式，其也有著各種各樣的不足。例如，仍何植入式電極都會(huì)對(duì)大腦皮層造成或多或少的損傷。大腦的排異反應(yīng)，植入電極的長(zhǎng)久機(jī)械化學(xué)性能的改變，使得目前所有的技術(shù)都不能實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦信號(hào)的長(zhǎng)期持續(xù)采集。這正是腦機(jī)接口應(yīng)用過(guò)程中面臨的最核心的問(wèn)題。其次，目前的植入式電極的采集范圍非常有限， 而大腦是一個(gè)龐大的精密系統(tǒng)，同時(shí)又擁有著復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。 所以目前世面上所有的植入式電極采集技術(shù)對(duì)大腦信號(hào)的提取都是滄海一粟，冰山一角。這也使得我們?nèi)祟?lèi)很難對(duì)大腦功能的恢復(fù)有質(zhì)的改變。

外部設(shè)備的小型化。如果討論腦機(jī)接口技術(shù)的常用化，那么外部設(shè)備的小型化一定是要完成的。大腦信號(hào)的采集是一個(gè)很復(fù)雜過(guò)程，采集完成后續(xù)的模擬到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，人工智能算法的應(yīng)用，以及控制信號(hào)產(chǎn)生后與終端設(shè)備或是人體經(jīng)行控制或交流的方式， 這一系列過(guò)程中需要使用的外部設(shè)備必須要輕便到能夠成為便攜設(shè)備。這樣腦機(jī)接口的技術(shù)才能為人類(lèi)在日常生活當(dāng)中使用。這就要求微電子，電路，芯片生產(chǎn)，以及功耗等一系列技術(shù)都要有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前水平的質(zhì)的飛躍。而目前植入式腦機(jī)接口技術(shù)大都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，所需要的各類(lèi)儀器累計(jì)在一起至少也有一張飯桌那么大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足腦機(jī)接口日常化的要求。

工程數(shù)學(xué)上對(duì)腦機(jī)接口的控制系統(tǒng)的改進(jìn)。腦機(jī)接口另外一個(gè)很重要的方面就是人工智能的算法應(yīng)用。目前幾乎所有的腦機(jī)接口必須每天對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的進(jìn)行訓(xùn)練，然后才能在當(dāng)天使用。 這樣的特點(diǎn)使得目前所有的腦機(jī)接口技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中很難得到實(shí)際的應(yīng)用。這也是腦機(jī)接口走出實(shí)驗(yàn)室又一大的瓶頸之一。

上述所有的問(wèn)題都不是簡(jiǎn)單能解決的問(wèn)題，而是需要工程學(xué)，材料學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科共同發(fā)展和突破， 從而推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)能夠更向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)一步。 所以像美國(guó)國(guó)防部下屬的研究所（DARPA）每年擲重金投入基礎(chǔ)腦機(jī)接口技術(shù)的研究，比如開(kāi)發(fā)一種新的神經(jīng)接口電極，能夠讓人類(lèi)同時(shí)記錄100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)。我們也看到了除了各大研究所和大學(xué)，也有像硅谷Paradromics , Neuralink這樣的公司在努力開(kāi)發(fā)下一代神經(jīng)接口技術(shù). 我們希望社會(huì)各界都能夠更多的支持基礎(chǔ)神經(jīng)學(xué)，工程學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究, 從而使得腦機(jī)接口這樣的技術(shù)早日成熟, 造福人類(lèi)。