文丨陳根
通過在腦後插入一根線纜，我們就能夠暢遊計算機世界，只需一個意念我們就能改變「現實」。學習知識不再需要通過書本、視頻等媒介，也不需要再花費大量時間，只需直接將知識傳輸到大腦當中即可。
以上就是1999年的經典科幻電影《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，卻是基於早已有之的「腦機接口」技術的的合理設想。或許，科技的加持終將讓科幻走向現實。
目前的「腦機接口」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劣。植入式更精確，可以編碼更複雜的命令，比如三維運動，但手術創傷不可避免；非植入式電極這種頭皮貼片雖然方便，無需開顱植入，但是能探測到的腦電信號範圍和精確度有限。
「腦機接口」作為前沿科技研究的熱點技術，一直頗受業界關注。SpaceX及特斯拉創始人馬斯克更是於2017年成立腦機接口公司Neuralink。2019年中旬，馬斯克和他的Neuralink團隊展示了他們「新穎」的向大腦植入電極的方式，並宣布他們將要進一步開發腦機接口的計劃。可以說，腦機接口不斷在科技界掀起軒然大波。那麼，從《黑客帝國》開始，我們離腦機接口實用化還有多遠？
腦機接口是怎麼出現的？
要知道，腦機接口本質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，那就需要理解我們的語言。
語言是人類大腦高級認知活動的產物，正如紐約大學心理學和神經科學教授大衛·珀佩爾在《科學》雜誌子刊《科學進展》（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裡」。
當我們聽人講話的時候，耳朵將聲波轉化為神經信號。這些信號會被不同的腦區處理和翻譯，最先處理的腦區是聽覺皮層。多年的神經生理學研究結果顯示，聽覺皮層的腦電波會對應聲波的強弱變化的頻率，將聽覺信號分節並鎖定。基本上就是說，腦電波像衝浪者般在聲波裡起伏，大腦很可能是通過聲波的強弱變化來區分音節，辨識語義，從而將長串的語言信息分節裝載，轉化為便於處理的小塊信息。
然而，人類語言並不是一蹴而就，而是經歷了漫長的演化。從神經肽、神經元到神經網；從神經節，到幾個神經節融合在一起形成腦，最終形成原始大腦。從掌管身體器官並且精細分工的爬行腦出現，到能夠處理愛、憤怒和恐懼等複雜情感的邊緣系統的出現，再到能夠理性思考的新皮層的出現。可以說，神經系統經歷了從無到有，從簡單到複雜，從低級到高級的發展過程。
人類大腦新皮層擅長思考，尤其擅長抽象思考，並能對事物的本質屬性進行歸納和演繹。就在大約10萬年前，人類掌握了一項突破性的工具，就是能夠用一種特定的抽象聲音來指代某個具體事物。
比如「石頭」這個詞的發音並不是石頭本身，而是通過發音來指代石頭這個物體的代表符號。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名稱。到了公元前5萬年，人類已經能夠完整使用複雜的語言進行交流。從此，語言不僅能把人類大腦中各種奇妙的想法轉換成一系列的聲音符號，而且通過空氣振動將它們傳遞到其他人的大腦中，並能讓他人理解。
人類語言的出現，不僅給世界上萬事萬物都打上了符號標籤，還產生了一個極其重要的功能，就是讓人們能夠學習自己沒有親身經歷過的事情，並以此形成間接經驗。由此，人類種族的生存能力大大提升。
正因為語言的學習，使得經驗與智慧一代代傳承，不斷累積到部落的知識庫中，而後代則可以在祖先的智慧上繼續探索。就這樣，語言賦予部落強大的集體智慧，同時每個人也能從集體智慧中獲益。隨著知識的不斷積累，生產力不斷提升，勞動生產率逐步提高，人類進入城市時代。
隨著人類文明的演化，科技也在歷史中不斷更新，大量的知識儲備為人類工業革命創造了條件。如今，我們已經進入信息技術高速發展的時代，而人工智慧技術的不斷突破使人類發現自己在學習能力方面越來越不及人工智慧，無法從海量的知識中快速獲取知識。
而這種缺陷正是曾經為人類文明作出傑出貢獻的語言所造成的。這是因為人類的語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，其精度都是相當低的。語言的社會性和模糊性導致了人和人之間溝通的低準確性，人們因此會耗費大量的時間在溝通上。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，我們無法像計算機一樣快速地將客觀信息輸入大腦，而在靠語言和文字所進行傳播的時候，速度確實非常慢。
而當我們進入一個全新的數字時代時，人類的弱點和局限性就開始被放大了。時代車輪滾滾向前，歷史發展的內在需求推動著技術的進步與發展，終於迎來了腦機接口的登場。
腦機接口的發展協同腦科學的進步
想要了解腦機接口的基礎，首先要明確幾個相關的概念。
腦機接口（Brain-computer Interface或者Brain-machine Interface）：通過傳感器提取頭皮上、大腦皮層上電場或磁場等信號、參數，進而進行數據提取、分類和分析，最終控制體外設備對人體周邊環境進行增強或改善的人機互動裝置。
中樞神經系統（Central Nervous System, CNS）：由大腦和脊髓組成，是人體運動的命令源也是腦機-接口主要分析目標。
腦電波（Electroencephalogram, EEG）：與大腦皮層神經元活躍度密切相關，大部分學者認為其主要組成部分是神經元突觸後電位。腦電波是腦-機接口的主要信號來源之一。
分形維數（Fractal Dimension, FD）：來源於分形理論，可以用於分析數據的複雜性。是現代科學用於分析混沌動力學系統和非線性信號的工具之一。
人工神經網絡（Artificial Neural Network, ANN）：一種基於大規模計算訓練從而多層次地提取目標特徵值的數學模型。ANN常被應用於數據分析。
腦機接口的發展和腦科學的進步密切相關。大腦屬於中樞神經系統，其包含了大約870億個神經元。大腦時時刻刻接受來自視神經、聽覺神經以及周圍神經系統（Peripheral Nervous System）傳送過來的信號。大腦將這些信號進行解析，並產生感覺，進而對外在環境做出反應形成運動信號。運動信號再通過脊髓傳達到周圍神經系統，進而控制肌肉控制人的身體，做出複雜（高級）運動行為（比如彈鋼琴，彈吉他等）。
當腦神經開始處理信息時，就會產生相應的電磁信號。從神經元的構造來看，當神經元傳達信號時，神經元內外的帶電離子流動形成電流，電流到達突觸後激發化學反應繼續傳遞信號給下一個神經元。當一定數量的神經元像集成電路一樣一起工作時，就可以產生能被宏觀的電極所探測到的電磁信號。而電磁型號的變化，則反映出當前皮層區域的活躍程度。這些信號經過放大，編譯變成了包含信息的信號。這樣研究人員就可以進行數據分析，用算法推測出大腦想表達的東西。
對於這些腦電波（EEG），最初人們對其在時域上的波形進行分析（尖峰分析法），之後研究者使用傅立葉變換或小波變換分析EEG信號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）。自上世紀中後期以來，混沌動力學興起，人們發現由於腦神經天然的複雜度，腦波更具有不穩定及非線性的特性，所以越來越多的研究者開始用混沌動力學的研究方法分析腦波及腦皮質結構。其中分形維數（FD）就是，混沌動力學在腦波分析用到的工具之一。
腦機接口技術是一個龐大的技術體系，而關於腦的一些知識和腦波的分析方法可以說只是腦科學和腦機接口技術的冰山一角。腦機接口技術發展到現在，仍面臨著許多技術難題。
科技新倫理什麼時候才能建立
腦機接口的研究不僅和腦科學有關，它更是一門跨學科的研究。隨著規模更大的電極陣列被應用於腦波探測，數據量將會爆炸式增長。普通的人工分析方式將轉化成由大數據挖掘算法支撐，人工神經網絡輔助分析的先進分析方式以降低時間成本。
初級的腦機接口是使用腦神經的信號控制體外裝置，從而滿足自己的特殊需求的系統。這類腦機接口現在已經取得了很多突破，兩年前的《加油！向未來》節目中，一位名叫林安露的22歲女孩，就藉助腦機接口技術來控制自己的智能義肢和鋼琴家郎朗成功完成四手聯彈。而來自查爾默斯理工大學的研究人員的最近報告稱，有史以來最先進的仿生假肢之一又取得了新的突破與成功。該系統被整合到病人的神經中，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，更高級的腦機接口，可以在人的控制下，對自己的意識和記憶進行改造，並且可以和外界（網際網路或個人伺服器）進行雙向的交流，而人腦也可以變成一個可有限訪問的節點伺服器進行信息傳送。這種更高級的腦機接口更像是《攻殼機動隊》裡的設定。
如果腦科學能突破現有的這些問題，那麼腦機接口的應用前進將會更加廣闊，腦機接口也將成為比肩核聚變的系統。核聚變解放了一群人，而腦機接口將成為個人解放的突破點。
但是，除了技術壁壘，還有一座大山難以逾越，那就是傳統倫理。去年，基因改造的嬰兒成為了科學界關於倫理討論的中心，傳統倫理依舊對一些尖端研究有很大影響。
在一些大學裡，普通的人頭上表皮電位腦波測試都需要經過學校的人權（倫理）委員會批准和監督才可以實施。倘若腦機接口的實驗不夠透明，那就真的沒有人會知道發生了什麼。如果實驗失敗的消息洩露，甚至造成人員傷亡，那麼腦機接口的研究將會變得更為保守，其發展也會變得緩慢。
此外，腦科學本身還具有廣闊的軍事應用前景，而與腦科學密切相關的人機接口從目前發展趨勢看，主要有兩個方面：一是控腦。通過非侵入性的腦腦接口，或對大腦的特定部位實施特殊頻譜信號刺激，達到幹擾和控制大腦思維活動的目的。二是腦控。通過非侵入性腦機接口，實現大腦對生物目標或物理目標的直接控制。但是，伴隨這類技術產生的軍事威脅值得警惕。未來有可能催生新型腦機武器裝備，出現「認知戰」、「大腦戰」等新的戰爭樣式。
毫無疑問，我們所想像的，都將變為現實。但在此以前，我們首先要有一個與科技相適配的時代新倫理。