机械战甲之父：猴子已替人类做好试验，脑机接口将成新的康复方式
你还记得巴西世界杯开幕式上那个身着“机械战甲”开球的高位截瘫少年吗？作为一项通向未来的新技术，脑机接口通过这一记开球向全世界得到了成功的展示。6月13日，这套装备的设计者、被称为“机械战甲之父”的美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔.尼科莱利斯带着新书《脑机穿越》中文版来到清华大学，畅想脑机接口这个“just thinking”的未来世界。
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大脑被接上电极的猴子们
在著名科幻电影《黑客帝国》中，主人公尼奥在虚拟世界中仅通过思维进行交流。现在“脑机接口”已经接近我们多年来的幻想，仅通过大脑意念，就可控制外部世界！
在这项技术的支持下，未来我们可以用大脑控制计算机，靠意念打游戏或驾驶汽车，甚至可能实现“大脑联网”，从而像尼奥一样通过思维交流。
如果说，作为万物之灵长——人类的大脑是待解的终极谜题，那么，理解了与人类接近的动物——猴子的思想，是否会离终极答案更近一步？
在尼科莱利斯的实验室里，最多的就是猴子，有的猴子可以操作机械手，有的可以玩游戏，有的可以在跑步机上跑步........不过，尼科莱利斯手下最著名的猴子，还是2003年他所作的“理解猴子的思想”这个经典实验的主角。尼科莱利斯在演讲中回顾了自己当年的实验。
▲米格尔·尼科莱利斯表示，脑机接口技术给我们认识大脑带来了一个全新的角度。（供图/湛庐文化）
2003年，尼科莱利斯团队把电极阵列植入到猴子的大脑中，以检测猴子的运动意图。他们将一个屏幕摆在猴子面前，屏幕中会出现一个图形，猴子用一个操纵杆可以控制这个图形移动，这时猴子的神经活动会被计算机记录下来。
然后，这些信号经解码后输送到机械手臂，机械臂就模仿了猴子的动作，从而控制了图形移动。
▲猴脑电信号的记录（图片来源http://www.businessinsider.com/monkeys-controlled-wheelchairs-with-their-minds-2016-3）
一段时间后，这只猴子意识到思考图形就可以移动图形，无需再借助操纵杆。它就放弃了操纵杆，直接通过“思想”进行游戏。这表明，猴子意识到了运动神经的能力，并且形成了一个很重要的概念：这些神经细胞的活动认识到了外部的机械臂，并把它当成了自己的一部分。另外，猴子会为了控制目标而改变它的神经细胞活动，展示出了极强的大脑可塑性。
▲“动物英雄”恒河猴使用脑机接口原理图，尼科莱利斯透露，完成任务后奖励它喝果汁，结果猴子太能干，喝了太多的果汁（图片来源于网络）
2008年，团队又为一只名为Idoya的猴子植入了一个新的电极，电极记录大脑运动皮层和感觉皮层的信号，计算机解码后发送到一个双足机器人上，以实现通过猴子来控制机器人，这个双足机器人远在日本京都。Idoya可以在面前的屏幕上看到这个名为CB的机器人，并与机器人同步在跑步机上走动。实验发现，Idoya一直在思考走路时对机器人实现的控制。
一小时后，关闭猴子的跑步机，但是猴子仍然能够继续引导机器人正常行走几分钟，这表明一部分不是控制猴子运动反应的运动神经已经可以控制机器人，就像它自己的延伸。尼科莱利斯解释，当猴子想要香蕉时，大脑的神经信号就变得完全不同了。
通过对猴子运动神经的研究，尼科莱利斯团队做出了较为成熟的脑机接口系统，并把这套系统应用于人身上，比如用于辅助残疾人对假肢的操控。
▲现在尼科莱利斯团队已经开始研究让猴子用大脑来驾驶了（图片来源网络）
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什么是脑机接口：绕过神经和肌肉的信息通路
看了猴子的实验，想必大家对脑机接口有了一定的认识。脑机接口（brain-computer interface,BCI）是在大脑和计算机或其他电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路（即外周神经和肌肉组织）的直接信息传输通路。
接口的意思就是人脑与设备之间形成一个中介，简单来讲，就是不需要语言或者动作，人可以直接通过脑来表达想法或操纵设备。
尼科莱利斯对于脑机接口这样解释：“我们的脑电波发出信号，再把这些信号和机器结合起来，就能够控制人为设计出来工具的活动。而该接口可以实现大脑与相关设备迅速高效地连接，无论距离远近，也无论这些机器的大小，即使它像航空飞船一样大。”
对脑机接口技术的研究起始于上世纪七十年代，加州大学洛杉矶分校的J.J.Vidal首次使用了brain-computer interface一词来表示大脑与外界的直接信息传输通路，提出了脑机接口的雏形，因此他被认为是BCI的发明者。
脑机接口的实现途径则可以追溯到上世纪二十年代脑电波（EEG）的研究，脑电波图与脑部疾病的关系研究为大脑活动研究提供了可能性。1988年首次报告了用脑电α波信号控制移动机器人，目前这种无创的脑电波采集方法正是实现脑机接口的最主要方式之一。除此之外，还有脑磁（MEG），功能磁共振（fMRI）、功能性近红外光谱（fNIRS）以及有创的皮层脑电（ECoG）、神经元群体记录等信号采集技术。
▲脑机接口技术发展简史（图片来源：futurism.com翻译：硅谷live）
脑机接口是一门涉及多个领域，包括神经科学、计算机科学、应用数学、生物医学工程、临床医学、心理学等等的交叉学科。所以受限于技术发展，脑机接口直到20世纪末才真正的快速发展起来。目前，脑机接口研究的主要集中在听力、视觉及运动神经受损的恢复，尤其是对于帮助严重的残疾患者（如脊髓侧索硬化、脑干或脊髓损伤）恢复控制能力。
尼科莱利斯说，通过虚拟现实和外骨骼系统，大脑通过一点点纤维活动可以跟外部的肌肉之间重新建立连接，而且大脑的组织方式也发生了变化。不仅能感觉运动，甚至能够排尿。“一位残疾的女士甚至决定重新怀孕，因为有了这个系统之后，她能够感觉到自己的孩子。有这个系统之后，这位女士差点儿可以自然生产，因为生产要感知到压力和用力，但是因为其他一些病症，骨髓硬化等原因，最后剖腹产。”
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脑机接口分为侵入、半侵入和全侵入
那么脑机接口是如何实现的呢？实现整个技术的大概步骤是：把通过各种方式采集到的大脑信号先进行信息分析和解码处理；然后再将其重新编码，如何编码取决于希望完成的事情。最后，也是最复杂的一步，把获得的环境反馈信息如视觉、触觉、听觉等再作用于大脑。
▲脑机接口形式一般以信息采集方式为主划分：通常被分为侵入式、半侵入式、非侵入式（脑外）（图片来源：futurism.com翻译：硅谷live）
在上述划分中，侵入式和半侵入式都需要实施手术，不可避免地对动物体或人体造成伤害，非侵入式脑机接口其实就是一套可穿戴设备，虽然避免了昂贵而危险的手术，但是由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高。
清华大学医学院生物医学工程系洪波教授洪波在演讲后的圆桌会上也表示，尼科莱利斯原来的实验室工作基本上都是植入式脑机接口，但是这些年的工作都是无创的脑机接口，“这说明经过这儿多年，做植入式脑机接口还是很困难的。因为你植入这么多电极，这些神经是不死的，会有反应的，会包裹电极，把信道降低。”
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从猴到人，高位截瘫少年身着“机械战甲”开球
2014年的巴西世界杯开幕式，年仅14岁的高位截瘫少年，身着“机械战甲”，实现了用大脑控制下肢运动，最后完成了开球，可以说是非侵入脑机接口可穿戴设备的一次成功展示。尼科莱利斯也因此被誉为“机械战甲之父”。
值得一提的是，这位少年鞋子上的传感器能感受到地面情况然后通过电刺激的方式返回到病人的上肢，不同的地面（草地、陆地），给予不同的电流让他感受到了不同地面情况。大脑可以学会理解这种感受，就像真的触觉到地面一样。
▲2014年，截瘫青年朱利亚诺·平托头戴非植入式脑电信号电极头盔，身着“机械战甲”，依靠脑机接口系统为巴西世界杯开出了第一球（图片来自网络）
这也是尼科莱利斯团队的另一个非常重要的工作——“重新行走”项目。他们借助脑机接口技术，让一位高位截瘫病人通过控制外骨骼系统重新行走，并且控制肢体的反馈能回到大脑，病人可以感受到外部的触觉。这样的技术可以让患者主动参与到自身的康复过程中来，疗效远好于传统的被动式康复。
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未来脑机接口应用领域多元
脑机接口在人方面的应用，最早是对视觉神经的辅助。早在1978年，美国生物医学研究者William Dobelle就通过神经外科手术将68个电极阵列植入到一位后天失明的残疾人视觉皮层中，眼镜上装置一个小型照相机将信号发送到一台巨大的计算机以解码，最终他成功地感受到了光的感觉。就这样，视觉脑机接口最早实现了商业用途。
在神经修复方面，与脑机接口相近的神经假体技术应用最为广泛，例如人工耳蜗。两者本质上相近，只是神经假体更偏向于神经的相连，而脑机接口是指与大脑直接相连，两者的目标一致，都是帮助病人恢复神经系统。
实现信息交流与控制一直是脑机接口的发展目标之一。最著名的例子就是霍金，他是肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者，有相对完整的思维能力，但丧失了对肌肉和外周围神经系统的自主控制能力，因而不能有效地向外界表达自己的想法。这时利用脑机接口技术，将他脑中所想的信息转换成可识别的活动意图，实现信息表达。
▲霍金没有依靠脑机接口交流，但“意念”交流仍是脑机接口未来趋势（图片来源于网络）
应用在这方面的脑机接口一般分为两类，一类是基于自发脑活动的脑机接口，如想象运动，这也更接近科幻电影中的用大脑控制物体。目前已经实现对轮椅、遥控器、假肢等物体的控制，缺点是这类脑机接口的信息速率相对较慢，识别一次想象运动需要数秒的时间。
▲用意念控制机器人（图片来源：BrainCo）
第二类是基于诱发脑活动的脑机接口，待表达的高级思维活动意图分别用不同的外部事件（如不同空间位置呈现的图形、不同频率的声音等）进行表示，人通过注意特定的外部事件序列以实现意图的表达。
例如，应用于字符输入著名的P300脑机接口就是输入字符后，利用不同形式刺激呈现（如单个字符闪烁、颜色变化等），人的注意力会集中在目标字符上，大脑对目标的响应约为300ms，实现了更快的思维活动状态识别。这也是P300名字的由来。目前，清华大学和中科院半导体所进行的视觉编码脑机接口已经可以做到每分钟输入10个单词，接近了实用水平。
▲P300脑机接口字符输入（图片来源网络）
除了辅助残疾人的主动式脑机接口应用，在这些研究中不断积累的经验逐渐发展出了被动式脑机接口，研究出一些列准确、可靠地实时思维活动状态识别算法，用于识别人主动发起的特定思维活动，也可用于识别和连续监测人的各项基础认知功能状态。
例如，识别飞行员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度等，为安全作业提供了有效客观地数据。这类脑机接口的初步研究已经延伸到了媒体（观众情绪体验）、教育（学习反馈）、甚至电子游戏的体验上，应用前景十分广泛。
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扎克伯格、马斯克都进军脑机接口
目前，随着科技进步以及目前一些商业巨头的介入，脑机接口已然成为一个热门话题。然而这些炫酷的技术能实现吗？我们在幻想未来时，也应该看到目前的研究水平有限，大热的脑机接口是否只是商业模式上的“画饼”，我们还应理性对待。
Facebook提出了实现“读心术”，像科幻电影中仅利用脑电波进行交流，他们准备将脑机接口的语言输入提升到每分钟100字，同时打造商用设备。
特斯拉与SpaceX的创始人埃隆·马斯克则建立了“神经织网（Neuralink）”公司，旨在将人工智能直接植入人类大脑皮层，从而提高人类智能，但这种方式的安全性也受到极大的质疑。
▲Facebook创始人马克·扎克伯格对脑机接口显示出了极大的兴趣，但也有科学家认为，社交媒体、亿万富豪应该利用资源解决更重要的医疗和科学问题（图片来自网络）
然而这些炫酷的技术能实现吗？我们在幻想未来时，也应该看到目前的研究水平有限，大热的脑机接口是否只是商业模式上的“画饼”，我们还应理性对待。
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脑机接口仍面临技术难题和伦理争议
未来是美好的，但也要看到我们目前对大脑了解还不多，大量的神经信号无法解码，高级意识状态难以数字化，研究背后还有一系列工程技术问题。中科院半导体所研究员王毅军表示，Facebook每分钟100字的目标难以实现：“因为他们是要解码语言中枢的神经信号，离真正的技术化还有很大距离。”
除了信号解码难度极大外，采集方式也面临着问题。有创的，或半植入式的脑机接口更像一把双刃剑，它能够提供更好的信号质量，解码更丰富的神经活动、识别速率也更高更准确，但同时面临手术感染、长时间使用生物兼容性等问题，当然还有更实际的工程问题、如带宽、供电等。
美国脑科学计划实现同时记录1万个前驱细胞活动的技术，清华大学生物医学工程系洪波教授表示，如此密集的电极插入会破坏近一半的细胞，解码大脑的全部信息也仅是理论上的。显然，在采集信号方面，无论是有创无创，提高质量保证安全都是未来脑机接口要实现的目标之一。
同时，脑机接口一直以来存在的伦理问题也存在争议。如果脑机接口未来能够读取意识，必然产生一系列的问题：脑机接口是否能够完全代表人的理性思维？是否会使大脑进行改变？如果某个人使用脑机接口在你毫不知情的情况下，完全侵入并了解你的思维，就不是单纯的隐私性问题了。
参考文献：
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[5]Greenemeier L.Monkey think,robot do[J].Scientific America,2008,15.
[6]http://www.nicolelislab.net/
[7]https://futurism.com/facebook-just-released-details-on-their-brain-computer-interface-heres-the-main-points/
