顧凡及

腦機(jī)接口作為從1970年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，正越來(lái)越普遍地造福于肢體癱瘓等的患者，并且應(yīng)用于娛樂(lè)、教育、日常生活等領(lǐng)域。它使腦和神經(jīng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)向消費(fèi)市場(chǎng)，有著十分光明的前景。

2014年在巴西圣保羅的世界杯足球賽開(kāi)幕式上，29歲的下肢癱瘓病人平托（J.Pinto）穿戴了由腦信號(hào)控制的外骨骼，上場(chǎng)一腳開(kāi)始比賽。消息馬上傳遍全球，腦機(jī)接口這一科學(xué)術(shù)語(yǔ)也因此進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。

什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口的英文為brain-computer interface（BCI）或者brain-machine interface（BMI），指在腦和外部設(shè)備之間建立起來(lái)的直接通訊通道。人們常把腦機(jī)接口用于研究、替代、輔助、增強(qiáng)、改善或修復(fù)人的認(rèn)知功能或感覺(jué)一運(yùn)動(dòng)功能。一般認(rèn)為腦機(jī)接口須滿(mǎn)足4個(gè)條件：其工作依靠對(duì)腦活動(dòng)的直接測(cè)量；結(jié)果反饋給使用者；實(shí)時(shí)運(yùn)作；依賴(lài)于有意識(shí)的控制。

腦機(jī)接口這一術(shù)語(yǔ)首先是在1970年代由比利時(shí)裔美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家維達(dá)爾（J.J.Vidal）提出，他利用視覺(jué)誘發(fā)電位控制光標(biāo)的移動(dòng)方向。此后研究主要集中在神經(jīng)假體的應(yīng)用研究方面，其目的是幫助病人恢復(fù)部分聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)能力。這一方向由于其在臨床應(yīng)用上的重要性，已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科——神經(jīng)假體學(xué)（neuroprosthetics）。腦機(jī)接口研究開(kāi)始時(shí)采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，直到1990年代中葉才第一次在病人身上植入神經(jīng)假體。這方面應(yīng)用最廣的首推人工耳蝸（仿生耳），其次是人工視網(wǎng)膜（仿生眼）。截至2010年年底，全世界已經(jīng)有22萬(wàn)失聰病人植入了人工耳蝸。

動(dòng)物研究

1980年代，希臘裔美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家喬戈普洛斯（A.Georgopoulos）發(fā)現(xiàn)猴子通過(guò)腦內(nèi)一群神經(jīng)細(xì)胞的集體活動(dòng)控制其手的運(yùn)動(dòng)方向，這是一種群體編碼，為后來(lái)有創(chuàng)腦機(jī)接口控制機(jī)器人假肢的研究奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)真正通過(guò)記錄腦內(nèi)一群神經(jīng)元的活動(dòng)控制機(jī)器人假肢，則是1990年代中期以后的事。目前國(guó)際上有好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)展這方面工作，尤以巴西裔的美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家尼科萊利斯（M.Nicolelis）最為著名，本文一開(kāi)始描寫(xiě)的世界杯足球賽上開(kāi)球的癱瘓病人所用的腦機(jī)接口，就是他的研究成果。

1989年尼科萊利斯從巴西來(lái)到美國(guó)的哈內(nèi)曼大學(xué)（Hahnemann University），作為博士后參加蔡平（J.Chapin）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。蔡平研究怎樣同時(shí)記錄12處腦細(xì)胞的活動(dòng)已經(jīng)有10年了。他們最終在大鼠腦上得到了多電極記錄。他們發(fā)現(xiàn)，即使是最簡(jiǎn)單的一個(gè)動(dòng)作，例如大鼠把某根觸須動(dòng)一下，也需要散布在腦內(nèi)很多地方的神經(jīng)元協(xié)同活動(dòng)。

在研究初期，人們?cè)J(rèn)為指揮某個(gè)特定動(dòng)作的是一小群特定神經(jīng)元，但要找到究竟是哪些特定的神經(jīng)元猶如大海撈針。蔡平和尼科萊利斯的發(fā)現(xiàn)解決了這個(gè)難題：人們不再需要為每個(gè)動(dòng)作都去尋找一小群特殊的神經(jīng)元，現(xiàn)在要做的是同時(shí)檢測(cè)散布在關(guān)鍵腦區(qū)中各處的一群代表神經(jīng)元的活動(dòng)。他們?cè)诖笫竽X內(nèi)插入電極，同時(shí)檢測(cè)46個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。他們訓(xùn)練大鼠學(xué)會(huì)壓動(dòng)一根杠桿而取到水喝，同時(shí)記錄大鼠動(dòng)“手”時(shí)的信號(hào)模式。然后他們斷開(kāi)杠桿和給水裝置之間的連接，因此壓動(dòng)杠桿不再有用。剛開(kāi)始時(shí)，大鼠還是不斷壓動(dòng)杠桿。雖然壓杠桿已經(jīng)沒(méi)有用了，但是科學(xué)家會(huì)在大鼠腦中一出現(xiàn)壓動(dòng)杠桿的命令信號(hào)時(shí)，就獎(jiǎng)賞給它水喝。過(guò)了一陣子，大鼠就發(fā)現(xiàn)沒(méi)有必要再去壓杠桿，它只要在頭腦里想著喝水，就可以得到水喝。

取得此項(xiàng)突破之后不久，尼科萊利斯在杜克大學(xué)（Duke University）得到一個(gè)職位，建立了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室。這次他們選取猴子作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，以便控制更復(fù)雜的行為。剛開(kāi)始時(shí)是訓(xùn)練猴子通過(guò)操縱桿移動(dòng)計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)，去捕捉出現(xiàn)于屏幕某處的圓形目標(biāo)，并在猴腦頂葉、額葉和運(yùn)動(dòng)命令有關(guān)的腦區(qū)插入電極，以記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，同時(shí)記錄猴子手的相應(yīng)活動(dòng)的信號(hào)，并把手的運(yùn)動(dòng)信號(hào)和手運(yùn)動(dòng)前一秒內(nèi)腦的電活動(dòng)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以找出它們之間的關(guān)系，從而找出一種算法，可以根據(jù)腦內(nèi)的電信號(hào)算出運(yùn)動(dòng)指令。一旦計(jì)算機(jī)完成了這樣的分析，研究人員就可以用腦信號(hào)直接合成運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)去操控機(jī)械臂，由此移動(dòng)計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)，而無(wú)需猴子直接用手來(lái)操控操縱桿。這時(shí)實(shí)驗(yàn)人員悄悄地把操縱桿拿走，猴子依然想移動(dòng)光標(biāo)去捕捉屏幕上的目標(biāo)以取得獎(jiǎng)勵(lì)。在一開(kāi)始時(shí)猴子有點(diǎn)不知所措。開(kāi)頭幾分鐘，它甚至想用手抓光標(biāo)讓它動(dòng)起來(lái)，但是這沒(méi)有用。在經(jīng)過(guò)了初始的一段猶豫不決和犯了少量錯(cuò)誤之后，由于算法能根據(jù)猴子的腦信號(hào)算出運(yùn)動(dòng)命令去移動(dòng)光標(biāo)，因此猴子可以看到光標(biāo)仍然在屏幕上移動(dòng)，如果光標(biāo)移動(dòng)正確，猴子就會(huì)得到果汁作為獎(jiǎng)勵(lì)。這樣，猴子不用動(dòng)手，只要想想就可以移動(dòng)屏幕上的光標(biāo)了。下一步是當(dāng)光標(biāo)停留在某處時(shí)，要求猴子捏緊操縱桿，操縱桿上有傳感器可以測(cè)量猴子用力的程度，并轉(zhuǎn)化為光標(biāo)的大小。猴子通過(guò)觀察光標(biāo)的大小變化，又學(xué)會(huì)了應(yīng)該用多少力才能得到獎(jiǎng)勵(lì)。和前面類(lèi)似，最后猴子不必真的用手去捏，而只要想想就可以實(shí)現(xiàn)了。要使猴子學(xué)會(huì)這一切，猴子需要得到感覺(jué)反饋，知道自己的命令有沒(méi)有被忠實(shí)執(zhí)行。由于觸覺(jué)反饋比較難實(shí)現(xiàn)，因此他們給猴子以視覺(jué)反饋，即在屏幕上看到這種運(yùn)動(dòng)。在正常情況下，從有運(yùn)動(dòng)命令開(kāi)始到肢體實(shí)際運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)間約為200～300毫秒，所以這種反饋必須在大致為如此短的一段時(shí)間里實(shí)現(xiàn)，這給開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)命令程序增加了困難，但他們還是做到了。

2008年1月10日，尼科萊利斯實(shí)驗(yàn)室根據(jù)猴子依多亞（Idoya）的腦信號(hào)驅(qū)動(dòng)了遠(yuǎn)在日本京都的一臺(tái)名為“計(jì)算的腦”的機(jī)器人穩(wěn)步行走，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。

和以前一樣，科學(xué)家在依多亞大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)里埋藏了許多很小的電極，可以同時(shí)記錄250～300個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。有的神經(jīng)元在猴子的踝部、膝部或者臀部運(yùn)動(dòng)時(shí)活躍起來(lái)，有的則在它的腳碰到地面時(shí)才活躍，還有一些則在實(shí)際運(yùn)動(dòng)將要發(fā)生之前就活躍起來(lái)。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，先訓(xùn)練依多亞在跑步機(jī)上行走，要它學(xué)會(huì)用前肢扶著跑步機(jī)前面的橫桿，直立著僅用后腿行走，有時(shí)前進(jìn)，有時(shí)后退；有時(shí)加快，有時(shí)放慢。這對(duì)猴子來(lái)說(shuō)雖然有困難，但還是學(xué)會(huì)了。除了同時(shí)記錄神經(jīng)元的活動(dòng)以外，還在它的踝部、膝部和臀部涂上化妝用的熒光油彩，并且用高速攝像機(jī)把它的運(yùn)動(dòng)記錄下來(lái)。通過(guò)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)影像這兩種資料的對(duì)照分析，科學(xué)家僅僅根據(jù)神經(jīng)元的活動(dòng)，就可以提前三四秒并以90%的精確度，預(yù)測(cè)依多亞的腿會(huì)怎樣動(dòng)。

2008年1月一個(gè)寒冷的早晨，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。記錄到的數(shù)據(jù)通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)源源不斷地輸送到半個(gè)地球之外的機(jī)器人“計(jì)算的腦”。依多亞面前放了一塊很大的電視屏幕，可以看到機(jī)器人腿的后影。依多亞的任務(wù)是通過(guò)自己大腦的活動(dòng)，使機(jī)器人穩(wěn)步行走。如果依多亞能讓機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)和自己對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)活動(dòng)同步，就給予獎(jiǎng)勵(lì)。人們屏住呼吸注視著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)依多亞開(kāi)步走的時(shí)候，“計(jì)算的腦”也邁開(kāi)了同樣的步伐。依多亞的大腦信號(hào)傳給了機(jī)器人，而機(jī)器人行走的影像又傳回給依多亞，兩者在時(shí)間上只能差1/4秒左右，這無(wú)疑在技術(shù)上要求很高，但研究人員做到了。過(guò)了一小時(shí)，研究人員給依多亞出了道難題，他們突然讓跑步機(jī)停下來(lái)，看看依多亞會(huì)怎么辦。尼科萊利斯后來(lái)回憶說(shuō)：“它的眼睛還是盯著機(jī)器人的腿。”而機(jī)器人又繼續(xù)走了3分鐘。當(dāng)依多亞的大腦信號(hào)使機(jī)器人行走時(shí)，依多亞大腦里有的神經(jīng)元控制自己的腿，有的神經(jīng)元?jiǎng)t控制機(jī)器人的腿。經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)的練習(xí)和視覺(jué)反饋以后，控制機(jī)器人腿的神經(jīng)元活動(dòng)和機(jī)器人的腿已經(jīng)配合得很好了。為什么能做到這些？尼科萊利斯說(shuō)：“我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)說(shuō)明腦是一直在變化的，并且它的變化方式是我所未能料到的，只要幾分鐘的時(shí)間?！焙镒釉诮邮苡?xùn)練時(shí)，腦內(nèi)神經(jīng)元的發(fā)放模式不斷發(fā)生變化，有越來(lái)越多神經(jīng)元參加進(jìn)來(lái)。而且只有當(dāng)猴子直接用腦而不是通過(guò)操縱桿去控制機(jī)器人時(shí)，有些特殊的神經(jīng)元群才開(kāi)始活動(dòng)。當(dāng)斷開(kāi)操縱桿和機(jī)器人的連接時(shí)，這些神經(jīng)元馬上就開(kāi)始活動(dòng)起來(lái)。尼科萊利斯認(rèn)為：“腦把機(jī)器人也當(dāng)成了自己身體的一部分。它在運(yùn)動(dòng)皮層的不同區(qū)域建立起機(jī)器人的代表區(qū)?！闭菑倪@些區(qū)域發(fā)出了讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的命令。

除了尼科萊利斯的實(shí)驗(yàn)室以外，美國(guó)布朗大學(xué)的多諾霍（J.Donoghue）、匹茲堡大學(xué)的施瓦茨（A.Schwartz）和加利福尼亞理工學(xué)院的安德森（R.Andersen）等人也開(kāi)展了這方面的研究，而為了實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器手，他們甚至只要記錄15～30個(gè)神經(jīng)元就行了。

施瓦茨實(shí)驗(yàn)室讓這種由猴腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)所控制的機(jī)械手為自己取食。機(jī)械手可以環(huán)繞肩部和肘部轉(zhuǎn)動(dòng)，還能把手張開(kāi)和緊握。首先，他們訓(xùn)練猴子用操縱桿控制機(jī)械手為自己取食，并記錄腦內(nèi)大約100個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。一旦猴子學(xué)會(huì)這樣取食以后，他們就把猴子的手綁起來(lái)，只通過(guò)腦細(xì)胞的活動(dòng)去控制機(jī)械手。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練以后，猴子甚至能讓機(jī)械手繞過(guò)障礙物去取食物。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者故意挪動(dòng)食物時(shí)，猴子也能夠調(diào)整機(jī)械手去取。這樣做的成功率達(dá)到61%。臨床應(yīng)用

有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)一般通過(guò)腦外科手術(shù)把電極直接埋置在腦內(nèi)，因此能高質(zhì)量地記錄腦的神經(jīng)信號(hào)，不過(guò)也因此會(huì)產(chǎn)生瘢痕組織，從而使信號(hào)逐漸變?nèi)跻灾磷詈笙А?/p>

在非先天性盲人的復(fù)明方面，最早的一個(gè)神經(jīng)假體是由美國(guó)科學(xué)家多貝爾（w.Dobelle）1978年在一位名叫杰里（Jerry）的患者視皮層中植入的68根電極，它們接收來(lái)自安裝在眼睛上的攝像機(jī)的信號(hào)以刺激腦。這在開(kāi)始時(shí)只能使患者產(chǎn)生光感，后來(lái)才能使他獨(dú)立地完成一些簡(jiǎn)單任務(wù)。

從2002年開(kāi)始，多貝爾給16名患者安裝了他的第二代裝置。他的第一位主顧瑙曼（J.Naumann）在被植入該裝置以后可以在研究所的停車(chē)場(chǎng)內(nèi)非常慢地開(kāi)車(chē)。不幸的是多貝爾于2004年英年早逝，以致后來(lái)當(dāng)他的患者們視覺(jué)上又出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就找不到人“報(bào)修”了。

在幫助癱瘓病人恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能方面，最早的腦機(jī)接口工作可能要數(shù)美國(guó)科學(xué)家肯尼迪（P.Kennedy）和巴凱（R.Bakay）了。1997年12月的一個(gè)晚上，他們的病人約翰尼·雷（Johnny Ray）突然腦干中風(fēng)。盡管雷的神志還很清醒，但是他既不能說(shuō)也不能動(dòng)，連呼吸都要通過(guò)插管來(lái)維持。1998年3月，他們?cè)诶椎倪\(yùn)動(dòng)皮層左手代表區(qū)安置了兩個(gè)電極，當(dāng)雷想象用癱瘓了的左手動(dòng)作時(shí)，其代表區(qū)內(nèi)的電活動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，利用電極接收到的信號(hào)來(lái)操作計(jì)算機(jī)屏幕上光標(biāo)的上下左右移動(dòng)。在計(jì)算機(jī)的屏幕上有12個(gè)圖標(biāo)，分別代表“請(qǐng)幫忙”“我疼”“不舒服”等。雷注視屏幕，并想象用自己左手把光標(biāo)移到所想要表達(dá)的圖標(biāo)上去，一旦光標(biāo)到達(dá)目的地，就有一個(gè)發(fā)聲程序把他想說(shuō)的話講出來(lái)。由于雷還殘留一點(diǎn)收縮左肩肌肉的能力，醫(yī)生就利用這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊功能，這樣科學(xué)家就編制了一個(gè)打字程序，讓他可以在屏幕上拼寫(xiě)自己想說(shuō)的話。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月訓(xùn)練之后，雷終于在屏幕上拼出了自己的部分名字“JOHN”（約翰）。又過(guò)了幾個(gè)月，他能做到每分鐘拼寫(xiě)3個(gè)字母。就這樣經(jīng)過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間訓(xùn)練之后，醫(yī)生問(wèn)他這樣做的時(shí)候感覺(jué)如何，他說(shuō)“沒(méi)什么”。實(shí)際上，雷此時(shí)已經(jīng)可以跳過(guò)在想象里用左手搬動(dòng)光標(biāo)的中間過(guò)程，他只要想移動(dòng)光標(biāo)，光標(biāo)就動(dòng)了，光標(biāo)好像變成了他身體的一部分。

2004年美國(guó)神經(jīng)外科醫(yī)生弗里斯（G.Friehs）在一位由于受到襲擊而四肢癱瘓的病人內(nèi)格爾（M.Nagle）的大腦右中央前回（手臂運(yùn)動(dòng)的皮層）植入了一副有96根電極的腦機(jī)接口，其接線通過(guò)顱骨連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可以識(shí)別他運(yùn)動(dòng)時(shí)的腦信號(hào)模式，由此控制外部設(shè)備。這樣，只要他想著移動(dòng)自己的手，就可以挪動(dòng)計(jì)算機(jī)光標(biāo)、開(kāi)燈和打開(kāi)電視機(jī)。這副裝置工作了大概一年。

近年來(lái)美國(guó)的一些大學(xué)和美國(guó)退伍軍人事務(wù)部合作，又開(kāi)發(fā)了一些植入四肢癱瘓病人運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)的新的腦機(jī)接口，使病人得以更好地直接控制假肢。

部分有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)是把腦機(jī)接口植入顱內(nèi)腦外，而不是直接植入腦內(nèi)。這樣就減少了直接植入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織的風(fēng)險(xiǎn)，因此信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，安全風(fēng)險(xiǎn)也比較小；而在另一方面，比起無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口來(lái)，信號(hào)的空間分辨率和信噪比也都較高。這種技術(shù)的電極被置于一個(gè)很薄的塑料層中而放到硬腦膜之下、腦皮層之上.這樣檢測(cè)到的腦電信號(hào)稱(chēng)為皮層腦電圖（ECOG）。

2004年美國(guó)科學(xué)家勒薩特（E.Leuthardt）和莫蘭（D.Moran）首先對(duì)一位男性少年使用了這一技術(shù)，病人由此可以玩電子游戲。這一技術(shù)掌握迅速、訓(xùn)練次數(shù)也較少，是信號(hào)可靠性和創(chuàng)傷程度之間一種比較合適的折中。不過(guò)這位并不是癱瘓病人，而是得了嚴(yán)重的癲癇。醫(yī)生為找到病灶而臨時(shí)性地埋藏了電極，并順便得出了這些結(jié)果。此項(xiàng)技術(shù)雖然前景看好，但由于目前缺乏病人來(lái)源，極少真正應(yīng)用于四肢癱瘓病人。

為保存有創(chuàng)腦機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)而減少電極插入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織所造成的信號(hào)長(zhǎng)期不穩(wěn)定問(wèn)題，現(xiàn)在也有人考慮應(yīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)來(lái)克服這一困難。

無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)

這種技術(shù)有不需要?jiǎng)邮中g(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此比較容易為患者所接受，但是空間分辨率低，不能利用腦信號(hào)中的高頻成分。此外，每個(gè)病人都只有經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練之后才能學(xué)會(huì)使用這種腦機(jī)接口。

這種技術(shù)中使用得最多的腦信號(hào)是腦電圖（EEG）。腦電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間分辨率高，應(yīng)用方便，體積小和價(jià)格低廉；而缺點(diǎn)一如上述，并且容易受到噪聲的干擾。在腦機(jī)接口研究的早期，例如1990年代中期，一些科學(xué)家訓(xùn)練癱瘓病人控制自己的腦電，例如閉眼安靜休息產(chǎn)生α波主宰的腦電，睜眼積極思考產(chǎn)生β波主宰的腦電，從而產(chǎn)生二值信號(hào)以控制計(jì)算機(jī)的光標(biāo)。但這種過(guò)程非常緩慢，病人花一個(gè)多小時(shí)才能用光標(biāo)寫(xiě)100個(gè)字，而為此的訓(xùn)練需要好幾個(gè)月。現(xiàn)在的情況已大有改觀。

清華大學(xué)神經(jīng)工程研究所的科學(xué)家在電視屏幕上顯示表示數(shù)字0～9和“開(kāi)”“關(guān)”這兩個(gè)詞的幾個(gè)方塊，每個(gè)方塊以不同的頻率閃動(dòng)，然后讓受試者按想撥的號(hào)碼依次注視相應(yīng)的方塊。這些以不同頻率閃動(dòng)的方塊會(huì)在腦內(nèi)誘發(fā)與它們同頻率的腦電成分，通過(guò)分析腦電里被誘發(fā)出來(lái)的頻率成分，就可以知道受試者想要的電話號(hào)碼，從而撥通手機(jī)。

無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)除廣泛應(yīng)用腦電以外，也應(yīng)用腦磁圖和功能性磁共振腦成像。已有利用這些技術(shù)做電子游戲，控制假肢，以及跟尚殘存有意識(shí)的“植物人”進(jìn)行溝通等事例。不過(guò)這些技術(shù)因設(shè)備要求高，價(jià)格貴，體積大，不易于像腦電那樣得到推廣應(yīng)用。

其他應(yīng)用

在臨床應(yīng)用之外，腦機(jī)接口技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用拓展也得到了廣泛研究，這里選擇介紹該技術(shù)用于神經(jīng)游戲和傳心術(shù)方面的一些事例。

神經(jīng)游戲

把腦機(jī)接口應(yīng)用到電子游戲方面正在形成一個(gè)新的領(lǐng)域——神經(jīng)游戲（neurogaming），其內(nèi)容不只是不動(dòng)手可以玩游戲，甚至還可以通過(guò)檢測(cè)玩家心率、腦電波、皮膚電反應(yīng)、瞳孔、姿勢(shì)、面部表情等，根據(jù)玩家的情緒來(lái)調(diào)整游戲的音樂(lè)及圖景，使玩家產(chǎn)生親臨其境的全新感受，甚至打破虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的界線。2013年5月在舊金山召開(kāi)了首次神經(jīng)游戲大會(huì)暨展覽，參會(huì)的有40個(gè)以上從事神經(jīng)游戲的廠商。第2次年會(huì)的參加者已超過(guò)550人次。會(huì)議組織者林奇（ZLynch）認(rèn)為神經(jīng)游戲就是不僅把腦而且把整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)都和游戲整合在一起的技術(shù)。他認(rèn)為神經(jīng)游戲還只是處于開(kāi)始階段，不出幾年，它將在電子游戲界掀起一場(chǎng)風(fēng)暴。不過(guò)，目前游戲產(chǎn)業(yè)界對(duì)神經(jīng)游戲的前景還有不同看法。有一些研究者認(rèn)為神經(jīng)游戲不單是娛樂(lè)而已，利用這一技術(shù)也有望幫助老年人增強(qiáng)認(rèn)知能力，幫助兒童治療多動(dòng)癥等。也有人擔(dān)憂不當(dāng)?shù)纳窠?jīng)游戲可能對(duì)玩家特別是青少年產(chǎn)生負(fù)面影響?，F(xiàn)在我們還不宜對(duì)神經(jīng)游戲過(guò)早地下斷言。

傳心術(shù)

既然腦機(jī)接口可以把腦信號(hào)傳送到外部設(shè)備，又可以把外部設(shè)備的信號(hào)直接傳送到腦，那么利用類(lèi)似的技術(shù)，原則上也可能把一個(gè)腦的信號(hào)傳送給另一個(gè)腦。這不就成了1人們長(zhǎng)期向往的“傳心術(shù)”（telepathy）嗎？2013年，尼科萊利斯首先在兩個(gè)鼠腦之間實(shí)現(xiàn)了這樣的信息傳輸，而這種接口也就被稱(chēng)為腦腦接口（brain-to-brain interface）。

他們的實(shí)驗(yàn)是這樣做的：訓(xùn)練一只“編碼”鼠，學(xué)會(huì)一見(jiàn)墻壁上方的紅燈點(diǎn)亮就按壓某個(gè)杠桿（例如涂有某種顏色的杠桿），以獲取食品作為獎(jiǎng)勵(lì)；然后，把決定這種行為的腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為某種電刺激模式，直接傳送到另一只“解碼”鼠的腦中：無(wú)須對(duì)解碼鼠進(jìn)行任何訓(xùn)練，也無(wú)須通過(guò)其他視覺(jué)線索告訴它正確反應(yīng)，解碼鼠會(huì)按壓和編碼鼠同樣的杠桿以獲取食品獎(jiǎng)勵(lì)。其正確率達(dá)70%。

更有意思的是，如果解碼鼠挑選了錯(cuò)誤的杠桿，他們就讓編碼鼠也得不到獎(jiǎng)勵(lì)，這樣迫使兩只大鼠協(xié)同工作。尼科萊利斯說(shuō)道：“我們觀察到當(dāng)解碼鼠犯錯(cuò)誤時(shí)，編碼鼠就會(huì)改變其腦功能和行為，以使其伙伴容易操作?！薄熬幋a鼠改善代表其決定的腦活動(dòng)的信噪比，這樣信號(hào)就會(huì)更清晰而容易被檢測(cè)，使解碼鼠能更快也更清楚地挑選正確的杠桿加以按壓。當(dāng)編碼鼠做了這些改進(jìn)之后，解碼鼠成功的次數(shù)也增多了，因此兩者都更加容易得到獎(jiǎng)勵(lì)?！彼麄兩踔磷寖芍淮笫笙喔羟Ю镏貜?fù)這樣的實(shí)驗(yàn)，依舊得到同樣的結(jié)果。尼科萊利斯總結(jié)說(shuō)：“這些實(shí)驗(yàn)表明，我們?cè)谀X際巧妙地建立了直接的通信聯(lián)系，解碼腦起到了某種模式識(shí)別裝置的作用?！?/p>

展望

腦機(jī)接口正受到國(guó)際科技界極大重視，發(fā)展迅速。1999年第1屆國(guó)際腦機(jī)接口大會(huì)的參加者僅50人，而2013年第5屆大會(huì)的參加者已達(dá)301人。

2013年11月，歐盟推出一個(gè)展望未來(lái)5年、名為“BNCI地平線2020：腦神機(jī)（腦/神經(jīng)一計(jì)算機(jī)）接口未來(lái)”的計(jì)劃，以協(xié)調(diào)和促進(jìn)歐洲BNCI（腦神機(jī)接口）的科研、產(chǎn)業(yè)和使用者之間的合作。2015年歐盟委員會(huì)又發(fā)表了一個(gè)總結(jié)BNCI現(xiàn)狀和展望未來(lái)十幾年的“路線圖”。他們認(rèn)為現(xiàn)在腦機(jī)接口正處于從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。據(jù)他們調(diào)查，2011年和腦機(jī)接口相關(guān)的公司有39家，現(xiàn)在已有148家，其中絕大多數(shù)采用腦電作為指標(biāo)，其次是肌電和心電，而采用有創(chuàng)測(cè)量的只占6%。他們對(duì)今后10年的展望是：“在不遠(yuǎn)的將來(lái)，康復(fù)將從基于腦機(jī)接口的治療中得益。家用的無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)將有助于中風(fēng)康復(fù)?？芍踩氲纳窠?jīng)記錄和刺激裝置將幫助恢復(fù)喪失了的運(yùn)動(dòng)能力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，腦機(jī)接口還可望用于對(duì)癲癇、抑郁癥、帕金森病和精神分裂癥病人進(jìn)行矯正性神經(jīng)刺激的新療法。應(yīng)用腦機(jī)接口的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將使截癱病人恢復(fù)行走，這種系統(tǒng)將對(duì)腦信號(hào)進(jìn)行解碼，以此來(lái)控制外骨骼或是激活行走的腿肌刺激程序?！辈粌H如此，包括職業(yè)保健、游戲、教育和日常生活等諸多領(lǐng)域在內(nèi)的許許多多應(yīng)用，會(huì)采用腦信號(hào)作為重要的信息源。

在腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用方面，尤其值得注意的是中風(fēng)康復(fù)。對(duì)于中風(fēng)所造成的癱瘓，腦機(jī)接口技術(shù)和傳統(tǒng)的康復(fù)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，除了應(yīng)用功能性電刺激之外，還能讓患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象，通過(guò)測(cè)量腦活動(dòng)和肌肉活動(dòng)向病人提供反饋，幫助評(píng)估患者是否正確地執(zhí)行了治療所需的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。這種方法可望大大縮短和改善康復(fù)過(guò)程。

既然腦機(jī)接口要解碼腦信號(hào)，這就必然牽涉一系列倫理方面的考慮。使用者會(huì)遇到風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題：對(duì)于老是使用某個(gè)腦區(qū)或腦通路的長(zhǎng)期效應(yīng)還不清楚；極度依賴(lài)于腦機(jī)接口系統(tǒng)的患者（例如閉鎖癥患者）可能會(huì)擔(dān)心系統(tǒng)中斷和更換的問(wèn)題；腦機(jī)接口使用者面臨被獲取腦信號(hào)并與他人分享的后果。另外，監(jiān)測(cè)自我健康狀況正在成為風(fēng)氣，這是一個(gè)尚未規(guī)范的市場(chǎng)，需要對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)、健康風(fēng)險(xiǎn)和可能的數(shù)據(jù)濫用制訂標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)章制度。廣泛使用腦機(jī)接口不可避免地會(huì)產(chǎn)生私人的腦數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，不能不引起對(duì)于被人盜用數(shù)據(jù)的擔(dān)憂。

目前腦機(jī)接口技術(shù)最大的缺點(diǎn)是缺乏安全、精準(zhǔn)而又可靠地接收腦信號(hào)的傳感技術(shù)，一些學(xué)者認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題有望在今后20年內(nèi)解決。此外，為了動(dòng)作精確，觸覺(jué)反饋也非常重要，這也是需要進(jìn)一步加以考慮的事；機(jī)械手還需要加上腕關(guān)節(jié)和手指，以便能完成精細(xì)動(dòng)作。如何控制這些部分當(dāng)然也構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。

雖然前面還有許多艱難險(xiǎn)阻，但是這個(gè)領(lǐng)域的前景十分光明。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口 群體編碼 神經(jīng)游戲 腦腦接口

神經(jīng)假體學(xué) BNCI地平線 2020計(jì)劃