陳根：從醫學使命到現實真相，腦機接口道阻且長

文/陳根

不論是馬斯克「腦機接口」（BCI）技術的重大突破，包括其設備獲得FDA「突破性設備計劃」許可的消息，還是全球範圍內以Neuralink、Mind Maze、Neuro Pace、BrainCo等為代表的腦機接口公司的頻現，都昭示著曾經被視為科幻的腦機接口如今已照進現實的事實。

腦機接口的熱議似乎也走向了賽博朋克裡關於「人機」的預言，即所謂的「自由個人」終將成為一個虛構的故事，轉而變為生化算法的組合。而此前，無論是《黑鏡》還是《黑客帝國》都曾從「反烏託邦」的視角討論過「腦機」存在的未來意義。

當然，對於腦機接口未來意義的討論是必要的，這關乎人類文明的生長和社會整體秩序的更新，但事實上，大多數腦機接口技術最初其實是作為醫療應用而被開發。在遙遠的「人機」預言實現以前，回到腦機接口技術最初的醫學使命，也將幫助我們更多地靠近腦機接口的現實真相。

腦機接口那些年

腦機接口作為一種不依賴於外周神經和肌肉正常傳出路徑的通訊控制系統可以採集並分析大腦生物電信號，並在計算機等電子設備與大腦之間構建交流與控制的直接路徑。

儘管腦機接口在近年來才成為前沿科技研究的熱點技術，但著眼更長的時域會發現，腦機接口研究的整體歷史更漫長且複雜得多。

首先，腦機接口的第一階段為腦結構的理論理解。1924年，德國神經科學家漢斯·伯傑（Hans Berger）首次記錄到了人類大腦的電活動，並於1927年發表了關於人類腦電波（Electroencephalogram，即EEG）的開創性著作。作為腦機接口技術的第一種常用方法，EEG神經反饋已經被使用了幾十年。

簡單來說，當腦神經開始處理信息，就會產生相應的電磁信號。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。

腦電波的第二階段是大腦信號的解碼應用。1970年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了使用EEG探索大腦交流的計劃。

1976年，加州大學洛杉磯分校的雅克·維達爾（Jacques J. Vidal）發表了有關「直接腦機交流」的開創性理論和技術建議，創造性給出了腦機接口沿用至今的標準定義，並將腦機接口研究與開發的重點放在輔助患者恢復受損視力、聽力及運動的神經修復之上。

隨著技術的進展，第一批人類用神經修復設備在90年代中期出現。1998年則是腦機接口研究的另一大裡程碑，研究人員菲利普·甘迺迪（Philip Kennedy）首次將腦機接口裝備植入人體內，使用無線雙電極獲得了高質量數據。

腦機接口因此受到了更多的關注，而其不依賴外圍神經與肌肉的參與便能實現大腦與計算機之間的通訊，則凸顯出了該技術在輔助治療腦中風、癲癇等失能患者上的價值。

腦機接口的第三階段是從實驗室到市場的邁進。2006年，布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設備植入手術，能夠用來控制滑鼠。2012年，腦機接口設備已能夠勝任更複雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對機械臂進行操控，自己喝水、吃飯、打字與人交流。

2014年巴西世界盃開幕式，高位截癱青年Juliano Pinto在腦機接口與人工外骨骼技術的幫助下開出一球；2016年，Nathan Copeland用意念控制機械手臂和美國總統歐巴馬握手。

2017年，BrainGate 團隊實現了通過植入式腦機接口控制植入式功能性電刺激裝置，相當於在原本神經迴路的斷口處利用外接計算機進行修復連接，使得脊髓損傷病人可以通過大腦活動控制自己的手臂，自主進行一些日常活動。

至此，這種閉環的腦機接口操縱才在本質上接近了人們過去在科幻作品中看到的未來感形象，腦機接口作為人類器官的延伸成為人類自然身體一部分的想法才真正成為可能。

從醫學使命到現實生活

隨著技術的發展與市場需求的逐步擴大，腦機接口技術由最初僅為完全沒有活動能力的患者提供輔助治療，拓展到拼寫、控制指針運動應用。同時，具有控制神經假體功能的各種腦機接口系統、信號處理技術也在此基礎上開始發展。

醫療康復是腦機接口技術應用最主要的方面。腦機接口可通過與環境的交互實現重症癱瘓患者多種功能的替代，也可促進大腦重塑以恢復運動功能，減輕殘疾程度以改善患者生活質量。

比如，重度運動障礙患者可以在腦機接口技術幫助下，藉助意念控制機械臂操作完成一些複雜運動，包括肌萎縮性(脊髓)側索硬化、脊髓損傷及其他殘疾患者，利用腦機接口機械假肢或腦機接口電動輪椅等以補償部分功能。而運動功能喪失患者則有望藉助腦機接口技術利用自身腦電圖操控輪椅或機器人，以輔助一些基本運動功能。

另一方面，研究已經證實腦機接口技術對腦卒中所致四肢癱瘓患者，尤其是閉鎖症候群患者也有一定改善效果，腦機接口技術也可以刺激暫時性植物人患者腦部以恢復部分腦功能。這也顯示出了腦機接口在大腦可塑性方向上的巨大前景。

在8月27日的Neuralink發布會上，馬斯克就表示，未來人人都可以在腦部植入一個晶片，解決從記憶力喪失到聽力喪失、失明、癱瘓、抑鬱、失眠、焦慮、中風、腦部損害等一系列問題以改善嚴重神經系統疾病患者的生活質量。

而基於使用腦神經的信號控制體外裝置，滿足特殊需求的初級腦機接口的更多了解，直接讓我們更深刻體會到腦機接口的現實，和其現階段面臨的落地困境——無論是醫療康復還是腦疾治療，都需要克服對腦電信號的解碼困境。

以馬斯克 Neuralink 的腦機接口項目為例，事實上，除了他的設備能夠實現電極數目更多、電極更柔軟以及設備微型化，本質上並沒有對腦電信號解碼的突破。

人的語言是一個極具創造性的系統，其使用在語法規則外沒有任何限制。也就是說，進化數百萬年來，現實中的對話已經是一個集合了聲音、符號、手勢、表情在內的成熟的交流體系，並且這個體系仍然在日新月異的不斷完善中，而僅僅依賴腦電波信號一種維度來解碼這個複雜體系，其難度可想而知。

人腦是一個一直在運行的器官，其腦電信號是持續不止的，尤其是在現實中，人腦常常是在執行聽說功能的同時，還在進行觸覺、視覺、味覺、嗅覺以及運動等多種功能的運行。

但事實上，到目前為止，當前科學僅僅知道人的語言功能與大腦分區有關，並不知道數百億神經元中的映射機制，也並不清楚不同功能腦區相互幹擾的具體情況。

語言的解碼不僅限於聽說帶來的聲波信號，每個詞彙和句子還會給人一種語義，而這個語義就會對每個人的反饋不一樣。

比如，全世界有上萬種語言和方言，那麼對於同一個語義，不同語言和方言對應腦電信號都可能有差異，甚至對於不同環境成長的同一語言人群以及同一個人在不同年齡段和不同情緒狀態下的腦電信號都可能不同。還有，對於同一時間的同一個人，同一個詞彙可能都會引起不同刺激程度的腦電信號。

同時，語言之外更有意識，說出來的語言和聽到的語言有聲波的物理性質，這些物理信號是確定的刺激信號，而意識則擁有更大的模糊不確定性。

在遙遠的「人機」預言實現以前，回到腦機接口技術最初的醫學使命，也將幫助我們更多地靠近腦機接口的現實真相。顯然，相較於人體其他組織，人類大腦亦擁有更為精妙的結構，要想破解人類大腦的「秘密」還需要更多的探索，而距離成熟的腦機接口技術興許還有很長的路要走。