像科幻電影《攻殼機動隊》展示的那樣，給大腦造一個網絡接口？在科學家的努力下，這一幻想正邁進現實。
近日，美國史丹福大學電氣工程教授Krishna Shenoy和神經外科教授Jaimie Henderson成功實現了世界上首次通過腦機接口完成的快速精準字符輸入：他們讓三名受試癱瘓者，通過簡單的想像精準地控制電腦屏幕光標，在電腦屏幕上輸入了心中想說的話，其中一人甚至可以在1分鐘之內平均輸入39個字母，約合8個單詞。這一成果近期發表在開源期刊《eLife》上。
這項新突破讓研究者們振奮：將實現「終極交互」的腦機接口，不僅會改寫生命定義，更將重塑生命體驗。
1 「翻譯」腦電波
過去的數十年裡，計算機科學和腦科學研究都取得了令人矚目的巨大進展。
計算機網絡已經徹底改變了人類的生產生活方式，那麼，作為更為複雜和精密的神經網絡，人腦能否突破「單機版」，接入計算機網絡？
科學家以行動回答了這個問題，在交叉研究中，一項新的技術——腦機接口，使得兩個看來相差甚遠、毫無關聯的研究方向產生了交集。腦機接口，是一種不依賴於大腦外周神經與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統，它通過採集和分析大腦生物電信號，在大腦與計算機或其他電子設備之間建立起直接交流和控制的通道。
「腦機接口可以讓人的大腦跨越肌體而直接作用電子設備產生動作。」河北省科學院應用數學研究所副研究員王志強博士向記者介紹，「這項技術研究的核心就是調整人腦和腦機接口系統之間的相互適應關係，尋找出合適的信號處理與轉換算法，實時、快速、準確地把腦電信號轉換成可以被計算機或其他電子設備識別輸出控制的信號或命令。」
聽上去簡單，做起來卻很難。很難想像，腦機接口的概念在1973年就出現了，它是由美國加州大學洛杉磯分校的J·J·Vidal在其論文中提出的。然而，受限於信號處理理論與方法、生物信號採集放大硬體技術、計算機性能等因素，直到20世紀末這項技術才真正開始快速發展，到今天，腦機接口在操控機器或機械手臂等方面已取得了不小進展，但是，想要精準操作手機和平板電腦等智能設備，卻還有較大困難。
「Shenoy和Henderson教授的這次試驗所取得的最大突破，恰恰在於他們首次通過腦機接口實現了快速精準的字符輸入。」王志強說，「這很難，畢竟人的大腦是一個高度複雜的信息處理系統，它由數十億的神經元通過相互連接來進行信息交流，以整體協調方式來完成各種各樣的認知任務。而神經元的活動又因人而異，在各種腦電信號的疊加下，電子設備轉化腦部編碼的難度就更高。」
據了解，實驗中被實驗者在大腦皮質內植入了新一代的腦機接口晶片——一個只有六分之一英寸大小的矽晶片，看上去只有小藥片大小。在這個晶片的表面，密布著100個電極，這些電極淺淺地插入需要監測的大腦皮層，從而監測著神經細胞的腦電信號。配合這個設備，科學家還設計了一套解碼腦神經細胞發射出來的複雜腦電信號的算法，通過這套算法，研究人員可以通過監測神經細胞激活狀態，確定人體想要完成的動作。隨著被實驗者盯著屏幕上的光標看，光標每點擊一次，他們就在腦子裡想像這是自己動手點擊的，這樣腦機接口中的晶片就可以捕捉大腦的神經活動，進而捕捉每個動作對應的神經信號。
「在人類進化過程中，科學家發現，大腦在進行思維活動、產生意識或受到外界的刺激時，伴隨其神經系統運行的會有一系列電活動，從而產生腦電信號。」王志強說，人在興奮、緊張、昏迷等不同狀態之下，腦電波的頻率會有明顯的不同，因此腦電波活動具有一定的規律性特徵，並和大腦的意識存在某種程度的對應關係。
「腦機接口通過採集大腦皮層神經系統活動產生的腦電信號，經過放大、濾波等方法，將其轉化為可以被計算機等電子設備識別的信號，從中辨別人的真實意圖，進而轉化為相應的操作動作。」王志強介紹，「通俗點說，人腦想執行某個操作，不需要通過肢體動作，通過腦機接口，即可讓外部設備讀懂大腦神經信號，並將思維活動轉換為指令信號，來實現對計算機或其他電子設備的控制。」
2 開啟顛覆式應用
伴隨腦科學和信息科學的進步，腦機接口領域取得了越來越多突破性的研究進展並逐步向實用化邁進。
腦機接口，將使諸多顛覆式應用成為可能。
通過腦機接口能使有運動殘障以及情態、行為和思維障礙的人得到治療，享有生活質量較高的生活。中國社會科學院哲學研究所研究員邱仁宗表示，最近10年科學家在發展解碼腦神經活動的算法方面取得了重大進展，可以成功地將腦神經信號轉換為輸出：一個四肢癱瘓的人可利用腦機接口技術操作假肢或輪椅；一個說話極端困難的人可使用這種技術通過計算機模擬的聲音來與他人進行交流……
腦機接口技術的使用，並未僅僅局限於醫療領域。
美國國防部曾向外界披露了一項「阿凡達」研究項目，計劃在未來實現通過腦機接口操控武器裝備，利用意念遠程操控「機器戰士」，代替士兵在戰場上作戰，執行作戰任務。而在交通領域中，腦機接口可用來實現無人駕駛等技術，通過遠程發送腦電控制信號來駕駛汽車、飛機、火車等交通工具，不但可以準確無誤地駕駛飛行，還可以避免交通事故的發生並降低傷亡率。
日常生活中，腦機接口技術在遊戲娛樂、智能家居、實時監控等方面都有著很大的應用空間。有科學研究小組研究了一款腦電遊戲系統，用戶可以用它來玩憤怒的小鳥和魔獸世界。
據了解，我國的腦機接口研究起步雖然較晚，但也取得了一批成果。2010年我國國家自然科學基金委員會「視聽覺信息的認知計算」重大研究計劃就資助了「首屆中國腦機接口比賽」。浙江大學的科學家幾年前就宣布他們運用信息和通訊技術成功提取並破譯了猴子大腦發出的抓、勾、握、捏四種手部動作的神經信號。
腦科學具有的廣闊應用前景，引來各方力量「搶灘」。近日，Facebook創始人馬克·扎克伯格向外界確認該公司正在開發腦機接口，並表示用戶在未來的某一天將可通過其與機器交流，同時稱將很快公開更多細節。
3 「終極交互」尚需時日
在科學家的心中，理想狀態下的腦機交互需要的是一種「共同適應」的雙向腦機接口，即電子元件和大腦共同學習，並在學習過程中同大腦不斷進行交流反饋。
理想很豐滿，現實卻很骨感。
「目前最複雜的雙向腦機接口，也僅僅能做到記錄並刺激神經系統，但也就僅限於此了。」廈門大學智能科學與技術系教授周昌樂表示，目前的腦機接口技術主要是針對一些初級認知活動，如運動、視覺等開展研究工作，較少涉及如記憶、思維、想像等高級認知活動。
為何這項技術仍然更多停留在實驗室研究層面？
「最大的難題在於腦電信號的數據獲取，大腦在工作時功耗很小，所以發出的信號十分微弱而難以捕獲，這會導致數據獲取不準確和不完全。」王志強認為，「正因如此，通過腦機接口產生的動作和健康人的動作相比，要慢很多，其精確度和複雜程度也會大打折扣。而且，此類設備的穩定性極易受環境中電磁噪聲、使用者心理狀態的影響，離開實驗室就無法穩定工作。」
此外，研究障礙還存在於設備對腦電信號數據的處理中。「神經元是通過電信號和化學信號之間的複雜作用而彼此聯繫的，但人類目前還無法記錄數以百萬計的大腦神經元活動，更無法解碼複雜的決策流程，想從中辨識出準確的信息是非常困難的。」王志強介紹說，「而且腦活動信息中噪音成分和有效成分常常混雜在一起，在數據處理中如何保證信息精準度，怎樣正確讀懂大腦的真實意圖，仍需進一步研究。打比方說，就像在很遠的地方用聽筒來辨別一棟大樓裡某人的聲音，但同時說話的人卻有很多，這時想分辨出這個聲音，難度就可想而知了。」
最後，還有材料的問題。大腦組織柔軟而充滿韌性，而大多數導電材料一般非常堅硬，這意味著，植入電子設備經常會導致身體出現排異反應，從而使得植入的電子設備隨時間遷移而鈍化。
「腦機接口技術的實用需要在神經科學、心理學、計算機科學、生物醫學工程、臨床醫學等多個學科的高度發展下才能完成，但各個學科內部都面臨著自身的難題。」周昌樂認為，即便以上的問題都能得以解決，腦機接口技術也還要繼續攻克對如理由、目的、價值等高級日常心理解釋的反饋，才能幫助人類實現更完美的腦機交互。
挑戰不止於此，腦機接口技術的發展也引發著爭議。德國魯爾大學哲學研究所終身教授漢斯·馬丁塞斯就曾提出倫理方面的質疑：追求完美固然是人類的美好願望，但通過技術去改變一個人是否是合理的？增強到什麼程度是合適的？尤其當人類對大腦的結構功能、情感和道德之間的關係尚缺乏準確的科學理解的情況下。
此外也有學者擔憂，通過腦機接口最後完成的操作，不是腦部思維的神經活動直接作用運動神經的結果，而是經過算法的轉換引發的動作，如果有負面後果，引起責任應該歸誰。
儘管面臨許多問題，科學家對腦機接口技術的未來仍感到樂觀。專家普遍認為，突破人腦與機器壁壘的大門正在緩緩開啟，前路漫漫，但充滿希望。（記者 吳韜）
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