文/陳根

通過在腦后插入一根線纜，我們就能夠暢游計(jì)算機(jī)世界，只需一個(gè)意念我們就能改變“現(xiàn)實(shí)”。學(xué)習(xí)知識(shí)不再需要通過書本、視頻等媒介，也不需要再花費(fèi)大量時(shí)間，只需直接將知識(shí)傳輸?shù)酱竽X當(dāng)中即可。

以上就是1999年的經(jīng)典科幻電影《黑客帝國》為我們描繪的科幻畫面。而這看起來天馬行空的幻想，卻是基于早已有之的“腦機(jī)接口”技術(shù)的的合理設(shè)想。或許，科技的加持終將讓科幻走向現(xiàn)實(shí)。

目前的“腦機(jī)接口”主要分為植入式和非植入式兩大類，植入式和非植入式兩種方式都各有優(yōu)劣。植入式更精確，可以編碼更復(fù)雜的命令，比如三維運(yùn)動(dòng)，但手術(shù)創(chuàng)傷不可避免；非植入式電極這種頭皮貼片雖然方便，無需開顱植入，但是能探測(cè)到的腦電信號(hào)范圍和精確度有限。

“腦機(jī)接口”作為前沿科技研究的熱點(diǎn)技術(shù)，一直頗受業(yè)界關(guān)注。SpaceX及特斯拉創(chuàng)始人馬斯克更是于2017年成立腦機(jī)接口公司Neuralink。2019年中旬，馬斯克和他的Neuralink團(tuán)隊(duì)展示了他們“新穎”的向大腦植入電極的方式，并宣布他們將要進(jìn)一步開發(fā)腦機(jī)接口的計(jì)劃。可以說，腦機(jī)接口不斷在科技界掀起軒然大波。那么，從《黑客帝國》開始，我們離腦機(jī)接口實(shí)用化還有多遠(yuǎn)？

腦機(jī)接口是怎么出現(xiàn)的？

要知道，腦機(jī)接口本質(zhì)上是一種全新的信息溝通與交互界面，而要理解信息溝通的本質(zhì)，那就需要理解我們的語言。

語言是人類大腦高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的產(chǎn)物，正如紐約大學(xué)心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)教授大衛(wèi)·珀佩爾在《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances)的論文中所說“語言就是聲波如何把信息塞入你的腦子里”。

當(dāng)我們聽人講話的時(shí)候，耳朵將聲波轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)被不同的腦區(qū)處理和翻譯，最先處理的腦區(qū)是聽覺皮層。多年的神經(jīng)生理學(xué)研究結(jié)果顯示，聽覺皮層的腦電波會(huì)對(duì)應(yīng)聲波的強(qiáng)弱變化的頻率，將聽覺信號(hào)分節(jié)并鎖定?；旧暇褪钦f，腦電波像沖浪者般在聲波里起伏，大腦很可能是通過聲波的強(qiáng)弱變化來區(qū)分音節(jié)，辨識(shí)語義，從而將長串的語言信息分節(jié)裝載，轉(zhuǎn)化為便于處理的小塊信息。

然而，人類語言并不是一蹴而就，而是經(jīng)歷了漫長的演化。從神經(jīng)肽、神經(jīng)元到神經(jīng)網(wǎng)；從神經(jīng)節(jié)，到幾個(gè)神經(jīng)節(jié)融合在一起形成腦，最終形成原始大腦。從掌管身體器官并且精細(xì)分工的爬行腦出現(xiàn)，到能夠處理愛、憤怒和恐懼等復(fù)雜情感的邊緣系統(tǒng)的出現(xiàn)，再到能夠理性思考的新皮層的出現(xiàn)。可以說，神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有，從簡單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展過程。

人類大腦新皮層擅長思考，尤其擅長抽象思考，并能對(duì)事物的本質(zhì)屬性進(jìn)行歸納和演繹。就在大約10萬年前，人類掌握了一項(xiàng)突破性的工具，就是能夠用一種特定的抽象聲音來指代某個(gè)具體事物。

比如“石頭”這個(gè)詞的發(fā)音并不是石頭本身，而是通過發(fā)音來指代石頭這個(gè)物體的代表符號(hào)。就這樣，原始的語言誕生了。很快，世界上各種各樣的事物都有了相應(yīng)名稱。到了公元前5萬年，人類已經(jīng)能夠完整使用復(fù)雜的語言進(jìn)行交流。從此，語言不僅能把人類大腦中各種奇妙的想法轉(zhuǎn)換成一系列的聲音符號(hào)，而且通過空氣振動(dòng)將它們傳遞到其他人的大腦中，并能讓他人理解。

人類語言的出現(xiàn)，不僅給世界上萬事萬物都打上了符號(hào)標(biāo)簽，還產(chǎn)生了一個(gè)極其重要的功能，就是讓人們能夠?qū)W習(xí)自己沒有親身經(jīng)歷過的事情，并以此形成間接經(jīng)驗(yàn)。由此，人類種族的生存能力大大提升。

正因?yàn)檎Z言的學(xué)習(xí)，使得經(jīng)驗(yàn)與智慧一代代傳承，不斷累積到部落的知識(shí)庫中，而后代則可以在祖先的智慧上繼續(xù)探索。就這樣，語言賦予部落強(qiáng)大的集體智慧，同時(shí)每個(gè)人也能從集體智慧中獲益。隨著知識(shí)的不斷積累，生產(chǎn)力不斷提升，勞動(dòng)生產(chǎn)率逐步提高，人類進(jìn)入城市時(shí)代。

隨著人類文明的演化，科技也在歷史中不斷更新，大量的知識(shí)儲(chǔ)備為人類工業(yè)革命創(chuàng)造了條件。如今，我們已經(jīng)進(jìn)入信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，而人工智能技術(shù)的不斷突破使人類發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)能力方面越來越不及人工智能，無法從海量的知識(shí)中快速獲取知識(shí)。

而這種缺陷正是曾經(jīng)為人類文明作出杰出貢獻(xiàn)的語言所造成的。這是因?yàn)槿祟惖恼Z言天生就有兩方面缺陷：一是精度低；二是效率低。

從語言的精度角度來說，無論人類的哪一種語言，其精度都是相當(dāng)?shù)偷摹?/span>語言的社會(huì)性和模糊性導(dǎo)致了人和人之間溝通的低準(zhǔn)確性，人們因此會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間在溝通上。在人與人的溝通過程中，信息被大量損耗。從語言的效率角度看，我們無法像計(jì)算機(jī)一樣快速地將客觀信息輸入大腦，而在靠語言和文字所進(jìn)行傳播的時(shí)候，速度確實(shí)非常慢。

而當(dāng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的數(shù)字時(shí)代時(shí)，人類的弱點(diǎn)和局限性就開始被放大了。時(shí)代車輪滾滾向前，歷史發(fā)展的內(nèi)在需求推動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，終于迎來了腦機(jī)接口的登場(chǎng)。

腦機(jī)接口的發(fā)展協(xié)同腦科學(xué)的進(jìn)步

想要了解腦機(jī)接口的基礎(chǔ)，首先要明確幾個(gè)相關(guān)的概念。

腦機(jī)接口（Brain-computer Interface或者Brain-machine Interface）：通過傳感器提取頭皮上、大腦皮層上電場(chǎng)或磁場(chǎng)等信號(hào)、參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、分類和分析，最終控制體外設(shè)備對(duì)人體周邊環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)或改善的人機(jī)交互裝置。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System, CNS）：由大腦和脊髓組成，是人體運(yùn)動(dòng)的命令源也是腦機(jī)-接口主要分析目標(biāo)。

腦電波（Electroencephalogram, EEG）：與大腦皮層神經(jīng)元活躍度密切相關(guān)，大部分學(xué)者認(rèn)為其主要組成部分是神經(jīng)元突觸后電位。腦電波是腦-機(jī)接口的主要信號(hào)來源之一。

分形維數(shù)（Fractal Dimension, FD）：來源于分形理論，可以用于分析數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。是現(xiàn)代科學(xué)用于分析混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和非線性信號(hào)的工具之一。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network, ANN）：一種基于大規(guī)模計(jì)算訓(xùn)練從而多層次地提取目標(biāo)特征值的數(shù)學(xué)模型。ANN常被應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析。

腦機(jī)接口的發(fā)展和腦科學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān)。大腦屬于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其包含了大約870億個(gè)神經(jīng)元。大腦時(shí)時(shí)刻刻接受來自視神經(jīng)、聽覺神經(jīng)以及周圍神經(jīng)系統(tǒng)（Peripheral Nervous System）傳送過來的信號(hào)。大腦將這些信號(hào)進(jìn)行解析，并產(chǎn)生感覺，進(jìn)而對(duì)外在環(huán)境做出反應(yīng)形成運(yùn)動(dòng)信號(hào)。運(yùn)動(dòng)信號(hào)再通過脊髓傳達(dá)到周圍神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制肌肉控制人的身體，做出復(fù)雜（高級(jí)）運(yùn)動(dòng)行為（比如彈鋼琴，彈吉他等）。

當(dāng)腦神經(jīng)開始處理信息時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁信號(hào)。從神經(jīng)元的構(gòu)造來看，當(dāng)神經(jīng)元傳達(dá)信號(hào)時(shí)，神經(jīng)元內(nèi)外的帶電離子流動(dòng)形成電流，電流到達(dá)突觸后激發(fā)化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)傳遞信號(hào)給下一個(gè)神經(jīng)元。當(dāng)一定數(shù)量的神經(jīng)元像集成電路一樣一起工作時(shí)，就可以產(chǎn)生能被宏觀的電極所探測(cè)到的電磁信號(hào)。而電磁型號(hào)的變化，則反映出當(dāng)前皮層區(qū)域的活躍程度。這些信號(hào)經(jīng)過放大，編譯變成了包含信息的信號(hào)。這樣研究人員就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用算法推測(cè)出大腦想表達(dá)的東西。

對(duì)于這些腦電波（EEG），最初人們對(duì)其在時(shí)域上的波形進(jìn)行分析（尖峰分析法），之后研究者使用傅里葉變換或小波變換分析EEG信號(hào)在頻域上的能量分布（能量譜分析法，可以將腦波分成阿爾法，貝塔，伽馬及德爾塔波）。自上世紀(jì)中后期以來，混沌動(dòng)力學(xué)興起，人們發(fā)現(xiàn)由于腦神經(jīng)天然的復(fù)雜度，腦波更具有不穩(wěn)定及非線性的特性，所以越來越多的研究者開始用混沌動(dòng)力學(xué)的研究方法分析腦波及腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中分形維數(shù)（FD）就是，混沌動(dòng)力學(xué)在腦波分析用到的工具之一。

腦機(jī)接口技術(shù)是一個(gè)龐大的技術(shù)體系，而關(guān)于腦的一些知識(shí)和腦波的分析方法可以說只是腦科學(xué)和腦機(jī)接口技術(shù)的冰山一角。腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，仍面臨著許多技術(shù)難題。

科技新倫理什么時(shí)候才能建立

腦機(jī)接口的研究不僅和腦科學(xué)有關(guān)，它更是一門跨學(xué)科的研究。隨著規(guī)模更大的電極陣列被應(yīng)用于腦波探測(cè)，數(shù)據(jù)量將會(huì)爆炸式增長。普通的人工分析方式將轉(zhuǎn)化成由大數(shù)據(jù)挖掘算法支撐，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助分析的先進(jìn)分析方式以降低時(shí)間成本。

初級(jí)的腦機(jī)接口是使用腦神經(jīng)的信號(hào)控制體外裝置，從而滿足自己的特殊需求的系統(tǒng)。這類腦機(jī)接口現(xiàn)在已經(jīng)取得了很多突破，兩年前的《加油！向未來》節(jié)目中，一位名叫林安露的22歲女孩，就借助腦機(jī)接口技術(shù)來控制自己的智能義肢和鋼琴家郎朗成功完成四手聯(lián)彈。而來自查爾默斯理工大學(xué)的研究人員的最近報(bào)告稱，有史以來最先進(jìn)的仿生假肢之一又取得了新的突破與成功。該系統(tǒng)被整合到病人的神經(jīng)中，讓他們只需想一想就能控制假肢，就像使用自然肢體一樣。

此外，更高級(jí)的腦機(jī)接口，可以在人的控制下，對(duì)自己的意識(shí)和記憶進(jìn)行改造，并且可以和外界（互聯(lián)網(wǎng)或個(gè)人服務(wù)器）進(jìn)行雙向的交流，而人腦也可以變成一個(gè)可有限訪問的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器進(jìn)行信息傳送。這種更高級(jí)的腦機(jī)接口更像是《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》里的設(shè)定。

如果腦科學(xué)能突破現(xiàn)有的這些問題，那么腦機(jī)接口的應(yīng)用前進(jìn)將會(huì)更加廣闊，腦機(jī)接口也將成為比肩核聚變的系統(tǒng)。核聚變解放了一群人，而腦機(jī)接口將成為個(gè)人解放的突破點(diǎn)。

但是，除了技術(shù)壁壘，還有一座大山難以逾越，那就是傳統(tǒng)倫理。去年，基因改造的嬰兒成為了科學(xué)界關(guān)于倫理討論的中心，傳統(tǒng)倫理依舊對(duì)一些尖端研究有很大影響。

在一些大學(xué)里，普通的人頭上表皮電位腦波測(cè)試都需要經(jīng)過學(xué)校的人權(quán)（倫理）委員會(huì)批準(zhǔn)和監(jiān)督才可以實(shí)施。倘若腦機(jī)接口的實(shí)驗(yàn)不夠透明，那就真的沒有人會(huì)知道發(fā)生了什么。如果實(shí)驗(yàn)失敗的消息泄露，甚至造成人員傷亡，那么腦機(jī)接口的研究將會(huì)變得更為保守，其發(fā)展也會(huì)變得緩慢。

此外，腦科學(xué)本身還具有廣闊的軍事應(yīng)用前景，而與腦科學(xué)密切相關(guān)的人機(jī)接口從目前發(fā)展趨勢(shì)看，主要有兩個(gè)方面：一是控腦。通過非侵入性的腦腦接口，或?qū)Υ竽X的特定部位實(shí)施特殊頻譜信號(hào)刺激，達(dá)到干擾和控制大腦思維活動(dòng)的目的。二是腦控。通過非侵入性腦機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)大腦對(duì)生物目標(biāo)或物理目標(biāo)的直接控制。但是，伴隨這類技術(shù)產(chǎn)生的軍事威脅值得警惕。未來有可能催生新型腦機(jī)武器裝備，出現(xiàn)“認(rèn)知戰(zhàn)”、“大腦戰(zhàn)”等新的戰(zhàn)爭樣式。

毫無疑問，我們所想象的，都將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但在此以前，我們首先要有一個(gè)與科技相適配的時(shí)代新倫理。