人脑和机器是否能实现直接通讯？

作者： 姜建，从事脑机接口技术研发

根据世界卫生组织报告，截止目前全球残疾人数量已超过10亿，仅中国就有超过8500万，这样一个庞大群体的生存质量亟待改善。对于具有肢体残疾和感知障碍的人群来说，传统的人工耳蜗已经造福了大量听障患者，尤其是儿童。进一步实现人脑和机器的互联互通可以部分甚至完全恢复其运动、感知、语言功能，必将极大地便利其生活，这是一项关系亿万人福祉、具有重要现实意义的技术革命。

脑机接口是实现人脑和机器直接通信的桥梁，通过脑机接口技术可以直接提取神经信号，完成对人的行为意向的分析，并借助光、电、磁、声等调控技术反向干预脑活动，主要依靠多位点高通量脑信息获取、实时神经信号解码、脑机融合智能设备、脑干预等多项关键技术来实现。

脑机接口的现状与进展

当前脑机接口技术的发展，已经初步实现了人脑与机器的双向通讯。

我们已经知道书写、说话、肢体动作等诸多功能都由脑中的运动皮层控制。将记录电极铺在人的感觉运动皮层上，读取运动皮层中与书写动作相关的运动想象信号，可以合成手写字迹，最高速度是每分钟“写”90个字符；读取运动皮层中有关发声控制的信号，可以逆向重构出说话的内容。有失语患者使用这项技术，每分钟可以“说”15.2个字。读取运动皮层的其它运动控制信号，还可以实现控制外部的机械手完成抓取任务。有意思的是，通过读取鸟的运动脑区相关信号，科学家还逆向合成了鸟的叫声。也许在不久的将来，我们也能通过“脑机接口翻译器”，和宠物自由对话。

脑信号不仅可以读取，还可以写入。对感觉相关的皮层进行微弱的电刺激，可以输入简单的感觉信号。虽然这种由人工诱发的感觉与真实的感觉有出入，但对于提高输出效果却有极大的作用。这种对感觉皮层的刺激，可以让被试感受到虚拟的物体。有的残疾人安装了智能假肢，能够用大脑信号来控制假肢的运动来抓取物体，由于假肢无法感受到物体，因此一般都是完全依赖视觉完成动作。最近，有研究通过对感觉皮层进行电刺激，让“假肢”有了触觉，将抓取和转移物体所花费的时间缩短了一半。这种虚拟触觉的建立，将使智能假肢变得更加好用。通过动态电刺激视皮层，美国匹兹堡大学向大脑“写入”了字符，最快每分钟可以“写入”86个字符。

脑具有很强的可塑性。人们即使在控制自身的肢体时，脑活动的模式也会经常变化。比如，同样是奔跑，在躲避危险和嬉戏玩耍的时候相比，大脑活动模式会有巨大的差异；即使是完成同一个动作，一个月前后的脑活动也会差异巨大。这种脑活动复杂的波动性为脑机接口相关的算法提供了挑战，当前标准的做法是经常行的重置算法，导致脑机接口用户每天的第一件事就是要花费不少时间习惯控制外部设备。问题总是可以被解决的，有研究通过引入新的智能算法，让算法自动更新以匹配用户的脑活动，而不用每天重新设置它，最后能够实现长达40天的稳定运行。但在另一方面，脑的高度可塑性也为用户学习控制外部设备提供了便利。例如，人脑能够很快适应外置的第六根手指，从而完成更多复杂的任务。猴子可以通过训练很快学会自主控制自己脑中神经元的放电。

挑战与应对

虽然脑机接口技术已经取得了令人瞩目的成就，但受限于我们对脑的理解，当前离人脑和机器自由通讯还有很长的路要走，比如交互速度和稳定性有待提高，本体感觉反馈建立等。当前的脑机交互通讯还仅限于初级感觉运动皮层，而初级皮层仅仅处于感觉信息加工处理的初级阶段。基于初级皮层的脑机交互速度是否有天然的上限？如果我们从更高级的皮层读取信号，利用脑特有的预测和反馈功能，极有可能会大大加快脑机交互的速度。如果基于高级的联合皮层设计交互接口，是否可以真正实现意识的交流？

脑机接口技术的进展，另一方面也受限于相关器件的技术水平。例如传统的硬质电极很容易引发脑内炎症反应，最终影响记录信号的稳定性。人脑的神经元数量有上千亿之巨，如何采集大量的神经元信号，对采集工具包括传感器、芯片技术都提出了重大的挑战。

人们使用的电极也经历了很多不同的时期，每个时期都有相关的重要代表技术。从上世纪六十年代的玻璃电极、七十年代的金属微丝电极、八十年代的硅电极和多通道硅电极阵列到现在的纳米柔性电极阵列，除了材料变化外，电极通道的密度也在不断在提高。以Neuropixels电极为例，短短几年间，单根电极的通道数目已从不到1000个上升到5000个。按照这样的发展速度，上万甚至百万通道的神经界面也许很快产生。伴随着当前芯片技术、无线通讯技术的发展，除了高通量的神经界面，有很多种类的精准、小型化、高度集成化、生物兼容性强的脑机接口器件也在不断被设计出来。例如，埃隆·马斯克花重金投资的 Neurolink 公司已经设计出同时采集上千个通道信号的植入式脑机接口设备，并且在成功的实现了实时解码猕猴的运动意图，并让其通过脑机交互玩弹球游戏。

基于脑机接口技术在脑疾病和个体强化相关领域的应用前景，世界主要经济体都投入大量资金进行相关技术的研发，同时更多跨学科人才和社会资本也开始加入，这将大大加快脑机接口技术的进步。当前脑机接口技术最具有突破性的研究进展也主要是在最近2-3年实现的。虽然未来难以预测，但考虑到各方力量的投入和技术的加速发展趋势，也许在不久的将来，我们很快就会看到人脑与机器的心灵交流以及随之而来对个人和社会形态的巨大改变。

变革与未来

科幻电影经常设想脑机接口和人工智能带来人个体能力的快速扩张。但最大的影响可能不在个体，而在于人类群体。

脑机快速交互，从某种意义上来说，等效于快速的扩张了我们的脑容量，或者说是让人脑产生了第三新皮层。人类第一次因为基因突变而导致脑容量导致了第一次认知革命，形成大规模的群体合作，进而席卷全球，淘汰了其它人种。那么脑机接口技术导致的等效脑容量扩大，是否会产生一种现代人完全无法理解的高级人，从而在认知上产生一种完全不同的物种？率先掌握这种技术的群体是否会像我们的智人祖先一样淘汰其他人类群体？

人脑与机器的高速互联，很自然可以推论出人脑之间的互联，就像阿凡达电影里的人与人之间的“心灵沟通”一样。这样或许就会诞生一个“群体脑”。彼时彼刻，“我”还是“一个”人吗？ 群体和个体的界限在哪里？我们最终会变成思维透明的“三体人”吗？

加上脑机高速互联，才是彻底的万物互联。这也许就是人类走向星辰大海的必经之路。

（尹家鹏，丁诗涵，马硕，刘杰，程志仙 亦对本文有贡献）