光明时评：脑机接口为什么值得关注
作者：陶虎
“意念手写”不再是科幻中的桥段。《自然》杂志日前发布的一篇封面文章显示，国外有研究团队通过“意念书写”脑机接口，可实现让受试者将脑中想象的“笔迹”转为屏幕文本，准确率超99%，而且受试者可达到每分钟输入90个字符的速度。一时间，关于脑机接口的讨论又热闹起来。
相比地球上其他生物，人最强的是大脑，肌体反而较弱。脑机接口，是大脑和外部设备之间创建的直接连接通路，它既是神经修复最有效的工具，是目前能完全解决瘫痪、中风、帕金森等患者神经功能受损的有效手段，此外它还是全面解析认识大脑的核心关键技术，是国际脑科学最前沿研究的重要工具。
脑机接口的核心是充分发挥人脑的优势，绕过人体自身器官，大脑直接与外界装备进行高效互动。其核心挑战在于，如何在最低限度损伤大脑和最大限度利用大脑之间达到平衡。相比非植入式脑机接口，植入式脑机接口在神经信号质量和神经调控精度等关键性能上有着天然的优势，不过植入手术对大脑的创伤、植入器件长期在体的安全性等问题仍是当前的研究瓶颈。
脑机接口将如何改变我们的生活？近的说，它能直接修复运动感知功能，帮助高位截瘫、渐冻人、失明病人恢复独立生活和交流能力，回归社会。去年，浙江大学研究团队已实现利用Utah阵列电极实现了高位截瘫患者用意念控制机械臂完成握手、饮水、进食等动作。未来，可发展其成为超越智能手机的脑机接口智能终端，未来的人们得以通过意识操控周围的设备，并赋予超越常人的耐力、速度、精度和效率。
环顾世界，美国国防高级研究计划局（DARPA）、脸书、谷歌、亚马逊等商业巨头都在积极布局脑机接口领域，成果不断涌现，并已形成较高的技术壁垒。当前，中国脑机接口（尤其是植入式脑机接口）的关键器件和高端装备严重依赖进口，国内缺乏原创性脑机接口核心技术，跟踪居多，布局分散、缺乏系统性。近两年，美国对脑机接口进行出口管制，系统级产品及核心器件供应受到不小影响，对中国脑科学研究、神经疾病患者治疗等均产生不同程度的影响。
中国“脑计划”，也即“脑科学与类脑研究”作为“科技创新2030重大项目”即将全面启动。随着该计划的推进，脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究、类脑计算与脑机智能技术及应用、儿童青少年脑智发育研究、技术平台建设等都将取得不小的进展。在这其中，脑机接口作为底层核心技术，关乎中国“脑计划”几乎所有关键内容。
中国的脑机接口研发，面临几大挑战。一是安全性和有效性难以兼得，这一问题的待解限制了脑机接口技术的大范围运用。二是脑机接口的有效带宽，即到底植入多少个电极足以基本涵盖大脑重要活动或满足特定功能需求，仍是一个未知数。三是海量神经信号的处理仍是难题。四是社会普遍关注的脑机安全与伦理风险。
脑机接口作为人与客观世界之间并非无懈可击的中介，也存在被对手入侵甚至接管的风险，这在客观上增加了人的决策的复杂性和不确定性，增加决策风险。此外，脑机接口技术的最终出口必将是应用在人身上，而脑机接口要在人上开展临床试验，根据国家法律法规，必须先过临床伦理，未来的风险也尚未可知。
不夸张地说，脑机接口是下一个生命科学和信息技术交叉融合（BTIT）的主战场，代表了一种新兴的、具有潜在破坏性的技术领域。作为一个系统工程，脑机接口包括软硬多个组件，涉及微电子、神经科学、材料学、机器人、临床医学等多个学科，产学研医交叉融合、环环相扣。
在高端科技中，笔者认为，脑机接口是中国最有可能迎头赶上甚至“直线超车”的领域之一。目前来看，在脑机接口核心器件的设计方面，中国完全不落后于国外，而且其加工只涉及到成熟的半导体工艺，这些核心加工技术均不面临被“卡脖子”的问题和风险。因此，对于中国来说，推进脑机接口未来的发展，主要还是加快推进资源调配等问题，各环节协同合作，研制出全链条自主可控的脑机接口系统，为中国“脑计划”的全面开展和顺利推进提供解决方案。
（作者系中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长、研究员）
[责编：徐皓]脑机接口技术如何改变人类未来
在2022世界人工智能大会上，“脑机接口”成为众多神经科学、脑科学、脑机接口等相关领域专家热议的话题。有专家认为，脑机接口技术将在未来三五年内重点辐射到临床治疗领域；也有专家表示脑机接口可以将元宇宙带到更高的层面，甚至达到元宇宙的“终极形态”。
心灵感应、 记忆移植、把“大脑”复制到云端，诞生一个虚拟版的“自己”并与之交谈，用意念控制远在地球另一端的机器……这些看似科幻的情节，都源自脑机接口这项前沿科技。
这项技术也并非什么新鲜事，早在1999年上映的经典科幻电影《黑客帝国》中，导演就对“脑机接口”这项技术作出了前瞻性设想：通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界。
脑机接口，有时也称为“大脑端口”或“脑机融合感知”，它是在人或动物脑与外部设备间建立的直接连接通路，实现脑与机器之间的直接“对话”。
从20世纪50年代起，人们就开始研究人脑意念，希望用它来完成行动。1973年，美国加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔一直致力于将大脑与计算机系统相互连接，第一次提出脑机接口概念。
2018年，由雷·沃纳尔执导的澳大利亚科幻电影《升级》，针对人类经过脑机接口改造后出现的矛盾，进行了大胆设想，指出人类将会在脑机接口和人工智能应用上面临伦理问题。
故事设定在未来世界，人类中出现了大量通过脑机接口、外骨骼设备改造局部身体的人，改造后的人类被认为是更高级的生命体。
影片开始，男主角格雷和妻子遭遇车祸，并受到匪徒袭击，格雷不幸丧失行动能力。绝望的格雷通过脑机接口的方式在大脑内植入“智脑”，奇迹般地恢复了行动能力，并且从普通人直接升级为格斗大师，干脆利落地揪出幕后黑手。本想就此收手、恢复平静生活的格雷，却意外地发现自己的身体已经被“智脑”完全操控，一旦有反抗意识，“智脑”就会使他全身瘫痪。格雷向自己的科学家朋友寻求帮助，然而科学家朋友也是被“智脑”控制的一枚“棋子”，所遭遇的一切也是“智脑”布局操纵的结果。
《升级》这部电影将脑机接口技术定位在人类的对立面，但所有新技术的演进就像潘多拉魔盒。盒子里释放出来的究竟是天使还是恶魔，都有赖于人类共同努力和理性选择。
现实中的脑机接口技术有脑机接口、脑机交互、脑机融合3个主要发展阶段，目前正由第一阶段向第二阶段发展，未来将从脑机单向接口进化为脑机双向交互，最终有望实现脑机完全智能融合。
脑机接口从介入方式划分有两类。一种是非侵入式，即将电极放在头皮上，多用于无创的脑部疾病检查，通过脑电波来判断大脑状态，或是用脑电波来控制外面的机器、外骨骼系统，由于信号微弱，操控的准确度和精确度并不高。另外一种是侵入式，即直接把电极插入大脑皮层，可以记录更多、更准确的大脑反应，进而更好地与外界设备交互。
2022年3月，中国神经外科领域的一项新突破在世界顶级学术期刊《科学》杂志上发表，文中重点介绍了首都医科大学附属北京天坛医院研发的侵入式脑机接口柔性电极技术。当患者肌肉神经无法重新再生时，医生将仅有2微米大小的电极点组成的新型柔性电极，通过手术放入患者大脑，帮助医生更精准“看”到患者大脑内部的神经，利用脑机接口从人脑中将行动命令“读取”出来，通过电脑芯片计算再发送到患者瘫痪的肢体上，帮助其重新恢复运动。未来这项技术的成熟应用，有望使更多饱受瘫痪折磨的重症患者重新站立。
脑机接口所带来的核心变化其实就是一句话——对人类的智能化改造。而如何平衡一项新技术的优势和缺陷，在很长时间内都会是科学发展中的难题。脑机接口、人工智能、基因编辑等新技术在释放技术红利、造福人类的同时，也催生了新的科技伦理风险和科技治理挑战。人类必须要直面科技伦理的拷问，只有辅之以人性，科技才能有温度。加强科技伦理制度化建设，已是全社会的共识。
（作者系中国科技馆展览设计中心工程师）
脑机接口技术五大应用领域分析
脑机接口的神经调控功效基于输入式BCI和NF技术，可促进异常脑结构和功能的可塑性正向发展，从而促进康复，如用于调控强迫障碍、创伤后应激障碍、轻度认知障碍、情绪障碍和药物依赖性（如酒精、烟碱、大麻或阿片类等）等神经精神疾病。
与其他生理信号相比，脑电信号可以提供更多深入、真实的情感信息。通过学习算法，提取脑电信号特征，能实现多种情绪（如悲伤、愤怒、恐惧、惊讶、愉悦、平静等）的判断分析，从而用于辅助治疗抑郁症、焦虑症等精神类疾病，并研究其发病机制。
在精神疾病康复治疗方面，基于脑机接口的神经反馈训练可在抑郁症、焦虑症等治疗中发挥积极作用。
越来越多的科研机构和科技公司都在开展相关研究，例如马斯克旗下的Neuralink公司正在研究通过脑机接口技术解决精神分裂症和记忆力丧失等精神疾病。
国内方面，2020年12月，上海交通大学医学院附属瑞金医院脑机接口及神经调控中心正式成立，中心的第一个临床脑机接口研究项目“难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究”同时启动，通过多模态情感脑机接口和脑深部电刺激方法治疗难治性抑郁症。
1.3意识与认知障碍诊疗
因颅脑外伤、脑卒中、缺血缺氧性脑病等病陷入昏迷，继而进入长期的意识障碍状态的患者，传统意义上的“植物人”状态，数量也较多。目前对这类患者还没有综合系统规范的治疗方法，如何加快意识障碍患者的功能恢复已成为亟待解决的临床问题之一。
通过脑机接口设备获取并分析患者的脑电信号，可以掌握患者的意识状态，实现意识障碍诊断与评定、预后判断，甚至与意识障碍患者实现交流。
具体方式是，通常采用患者自己的名字、照片等信息，通过声音、图像、触觉等作为靶刺激，以小概率出现，其他无关刺激以高概率随机出现，脑机接口设备获取患者受到靶刺激后的脑电信号，分析患者状态，部分患者可能对靶刺激有特异性反应，这种“脑电交流”有助于医生判断患者是否有唤醒康复的可能，从而针对性的采取治疗措施。
1.4癫痫和神经发育障碍诊疗
癫痫与皮层神经发育缺陷密切相关。癫痫领域是脑机接口系统最早应用的领域之一，其发作具有典型的电生理异常，呈现状态性特点，癫痫的诊断中，脑电一直是临床诊断的重要标准。
随着采集设备与方法等技术的突破，对脑功能和疾病的研究越来越深入，脑机接口在癫痫领域已经产生了一些相对成熟的应用。
癫痫的诊疗中，通过脑电输出和判断大脑的功能和疾病的信号，通过对颅内电极的电刺激输出“指令”，以诱发患者功能区的响应，通过手术切除、热凝、激光损毁等技术实现改变和治疗大脑的癫痫网络，目前已在临床成熟应用。
2脑机接口技术在其他非医学领域的应用
脑机接口技术除了在医疗健康领域的应用之外，在其他非医学领域也具有潜在的广泛应用。
1.军事领域
脑机接口技术在军事领域属于前瞻性研究和尝试应用，如战士可以通过佩戴脑信号采集帽对相应武器发出作战指令，达到降低人员伤亡，加强作战能力的目的，还可以监测作战人员的生理和心理状态，利用监测到的数据及时分析战士情绪、注意力、记忆力等生理心理指标，从而增强相关作战人员军事技能的表现。2020年8月，美国智库兰德公司发布了《脑机接口在美国军事应用中作用的初步评估》研究报告，认为BCI技术很可能在未来的战场上具有实际用途，如提高通信速度，增强环境态势感知能力，并允许操作员同时控制多个技术平台。
2.教育领域
在教育方面，脑机接口技术可以实时监测学员的大脑状态，通过分析和评估大脑状态与学业表现之间的关系，建立基于BCI的个性化教学环境。在特殊教育领域，脑机接口技术可帮助特殊教育的学习者增强甚至重建身体缺损的感官功能，并通过操控肢体的辅助设备提高学习效率，重建与畅通整个学习反思链条，从而顺利完成各项学习任务。
在教育资源匮乏的地区，应用脑机接口技术有助于缓解师资紧缺的局面。脑机接口等数字技术的适当介入，可以使学生的认知能力得到延伸，增强学习体验感，激发深入学习的兴趣。在智慧课堂教学实践中，脑机接口技术能够实时监测每一个学生的身体状态、情绪状态和思维等方面的动态变化，便于教师适时调整教学策略，并对学生进行针对性指导。
当融入虚拟现实设备后，更有助于营造一个身临其境的氛围，能够使学生增强感官效果，提升全身体验，进一步提高学习效率。
3.娱乐游戏领域
在娱乐游戏方面，可以将脑机接口技术与虚拟现实（virtualreality，VR）技术相结合，通过佩戴在玩家头皮上的传感器采集脑信号，然后将信号传输至计算机，并由解码算法将信号转化为游戏中需要执行的指令，就可以实现用“意念”玩游戏，这不仅可以提升游戏的娱乐性，而且对于一些肢体障碍的玩家，也在很大程度上提升了游戏的友好度。
脑电信号的采集是脑机接口游戏的重要环节之一，目前用于表征大脑功能状态的脑信号主要有脑电图(EEG)、脑磁图（MEG)、功能性磁共振成像(fMRI)和功能性近红外光谱(fNIRS)等。与其他几种脑电信号相比，基于头皮脑电的BCI(EEG-basedBCI)具有无创、时间分辨率高、成本低、便携性好等特点，是目前脑机接口游戏BCI主要采用的实现方式。
4.日常生活领域
在日常生活方面，以智能家居为例，脑机接口技术既能通过测量和提取人脑中枢神经系统信号，实现对外部家居设备的操控，也能通过外部设备对神经系统的刺激和神经反馈，实现对中枢神经系统的调控，使得人脑与外部设备之间形成具有神经反馈调控的闭环系统，实现人机或脑机的智能融合。脑机接口扮演的是类似于“遥控器”的角色，帮助人们用“意念”控制开关灯、门、窗帘等，进一步可以控制智能家用机器人。
脑机接口技术还可以与通信系统结合，并开发无人驾驶汽车。而基于脑接机口的脑-脑联网应用是更加前沿的未来潜在的研究及应用方向。
脑机接口技术被称为“人工智能的下一步”，展现了无限可能，吸引着科学家们前赴后继，不懈攻关，也将是国际竞争的焦点。
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