想象一下,，如果有一天你醒來發(fā)現(xiàn)全身動彈不得，只能眨眨眼,，你會怎么辦,？

法國時尚雜志ELLE主編鮑比就經(jīng)歷了這種事情。他現(xiàn)在只能躺在病床上,，四肢無法動彈,，甚至一點聲音都發(fā)不出，唯一能做的只是眨一眨左眼,。語言治療師亨瑞特對他盡心照料,，鮑比想對她說聲謝謝，他需要在亨瑞特一遍遍復(fù)述法語字母表的時候,，眨五次眼睛,，才能“拼寫”出MERCI這個法語單詞。鮑比因為突如其來的中風(fēng),，全身肌肉癱瘓,，進入了完全閉鎖的狀態(tài)（Locked-in Syndrome），眨動左眼是他唯一和外界交流的方式,，可是他的大腦和思維是完全鮮活而正常的,，這種孤獨與絕望可想而知。不可思議的是,，鮑比竟然靠眨眼睛“寫”出了一本回憶錄《潛水鐘與蝴蝶》,，同名電影2008年獲金球獎。在我主講的《神經(jīng)工程原理》課上,，每當(dāng)講到“腦機接口”(Brain Computer Interface, BCI)的時候,，一定會給學(xué)生們推薦這部感人至深的電影，因為我和所有從事神經(jīng)工程研究的同行們都堅信,，總有一天腦機接口技術(shù)會幫助鮑比這樣的病人,，讓他們不再生活在密閉的“潛水鐘”里，通過腦電或者神經(jīng)活動自由地表達自己,，讓思想可以像“蝴蝶”一樣自由地飛翔,。

電影《潛水鐘與蝴蝶》中的拼字板

其實像鮑比這樣思維被封閉在癱瘓身體中的病人不在少數(shù),，著名物理學(xué)家霍金就是類似的癥狀，他患有肌萎縮性脊髓側(cè)鎖硬化癥（ALS）,，也就是2014年夏天流行的“冰桶挑戰(zhàn)”提醒公眾關(guān)注的“神經(jīng)漸凍癥”,。中國有一位年輕的神經(jīng)漸凍癥病人王甲，他也用“眨眼睛”的方式寫了本書《人生沒有假如》,?！吧窠?jīng)漸凍癥”的發(fā)病原因還沒有研究清楚，目前也沒有治療和康復(fù)的辦法,。病人在發(fā)病初期出現(xiàn)肌肉無力萎縮的癥狀，隨著病程發(fā)展,，逐漸失去運動,、說話和吞咽能力，甚至需要呼吸機幫助呼吸,。高位截癱,、重癥肌無力等疾病也會帶來運動和溝通的困難，他們同樣需要腦機接口的幫助,。

科學(xué)家最早嘗試腦機接口研究,，是在1963年的英國。Burden Neurological Institute的Grey Walter醫(yī)生用當(dāng)時非常前沿的腦電技術(shù)和他的病人開了個“玩笑”,。這些癲癇病人因為確定腦內(nèi)病灶的需要,，做了手術(shù)，腦內(nèi)放了電極,，貼近大腦皮層,，可以獲取非常清晰的神經(jīng)活動。因為電極比較大,，記錄阻抗低,，雖然不能記錄單個神經(jīng)細胞的放電，但能記錄到電極周圍神經(jīng)細胞共同活動的場電位(Field Potentials),。這些病人會帶著電極在醫(yī)院生活一兩周,。Walter醫(yī)生突發(fā)奇想，在病人們欣賞風(fēng)光幻燈片的時候,，偷偷把腦電電極連接到了自己發(fā)明的“電位轉(zhuǎn)換器”上,，把病人大腦運動皮層的場電位信號，轉(zhuǎn)換成了幻燈機換片的控制信號,。于是“心想事成”的奇跡發(fā)生了：病人每次打算換片,，但還沒有按動按鈕時，幻燈機就已經(jīng)知道了他的想法,，自動換片了,！這是腦機接口技術(shù)的第一次完整實現(xiàn)：采集大腦神經(jīng)信號，翻譯轉(zhuǎn)換后控制外部設(shè)備。

這個概念在當(dāng)時非常超前,，只有科幻電影中才會出現(xiàn),。這個“玩笑”背后是Walter醫(yī)生通過對腦電活動的定量測量和深入探索，發(fā)現(xiàn)了與注意和期待有關(guān)的腦電活動,。在此之前,，所謂“腦電”僅僅指每秒10次左右的節(jié)律性起伏（Alpha波），通過這種起伏可以推測人腦的警覺狀態(tài),，不能反映精細的思維活動,。Walter醫(yī)生也是個非常優(yōu)秀的工程師，他采用多次平均技術(shù),，去除噪聲,，得到腦電發(fā)明以來最“純凈”的腦內(nèi)活動波形——事件誘發(fā)電位（Event Related Potential , ERP)，從此科學(xué)家通過事件誘發(fā)電位定量研究大腦對外界視覺聽覺刺激的響應(yīng)規(guī)律,，以及大腦內(nèi)部認知過程的展開,，從此打開了一扇研究人腦的新窗口。

2005年左右,，腦機接口研究重新成為生物醫(yī)學(xué)工程的研究熱點,。那年夏天在美國紐約州Albany的一個山谷里召開了一次腦機接口國際會議，參加人數(shù)超過百人,。因為在會前的腦機接口數(shù)據(jù)分析競賽中,，清華大學(xué)的小組獲得了非常突出的成績，我隨同高上凱,、高小榕兩位教授一起參加了這次會議,。這次會議集中了世界上最早一批進入腦機接口領(lǐng)域的研究者，他們對發(fā)現(xiàn)新的腦電誘發(fā)方法,，開發(fā)腦電信號處理方法等等都有獨到的創(chuàng)新,。

大會主席是紐約州Wadsworth Center的Jonathan Wolpaw教授，他認為沒有創(chuàng)傷的頭皮腦電是腦機接口技術(shù)的未來,，像霍金這樣的運動殘疾的病人只要帶上腦電帽,，就可以記錄和識別一些簡單的腦電活動，再加上計算機模式識別的幫助,，就可以實現(xiàn)打字,、控制輪椅等簡單任務(wù)了。Wolpaw博士是一位包容的學(xué)者,，他注意到另一類有創(chuàng)傷的腦機接口技術(shù)也取得了很大的進展,，這類BCI通過外科手術(shù)，把硅電極陣列埋進大腦內(nèi)部,，獲取大腦運動區(qū)的神經(jīng)細胞放電,，計算機解析后用來控制屏幕光標或機械手移動,。這種技術(shù)雖然控制精細操作自如，但手術(shù)創(chuàng)傷的代價是不可避免的,。布朗大學(xué)John Donoghue教授是有創(chuàng)腦機接口的主要代表,，也被Wolpaw教授邀請來做大會報告。會上的爭論非常激烈,，有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種腦機接口技術(shù)之間的較量由此開始,。

當(dāng)你在閱讀這篇文章時，如果戴上一個腦電帽,，上面規(guī)則地排滿金屬電極（通常是銀和氯化銀電極）,，在每個電極位置小心地注入導(dǎo)電膠（通常是氯化鈉和膠黏劑的混合物），讓你的頭皮通過導(dǎo)電膠和金屬電極接觸,，再連接上生物電放大器,，這時候就會在你前額和后腦勺的電極上檢測到微弱的電位變化。這個電位變化反映你集中注意力的水平,，但卻無法檢測你讀到的文字和具體的思維活動。如果把我們的大腦比喻成一個巨大的體育場,，那么里面的觀眾就是神經(jīng)細胞,，他們都在自由地“交談”。要想聽到每個人說話的內(nèi)容,，只能在每個人附近放個麥克風(fēng),，這種探測只能進入體育場內(nèi)。對我們的大腦來說,，就要通過打開腦袋的外科手術(shù)來實現(xiàn),。為了避免手術(shù)創(chuàng)傷，我們把麥克風(fēng)放在體育場外,，也就是在腦袋表面貼上電極,。體育場外的麥克風(fēng)當(dāng)然不能分辨里面每個人的講話，但如果場內(nèi)發(fā)生了很大的動靜,，例如大家都在為進球歡呼,，場外便能聽到；同樣道理,，貼在頭皮表面的腦電電極無法分辨每個神經(jīng)細胞的活動,，但可以探測腦內(nèi)“非常大的活動”，通常這種活動是很多神經(jīng)細胞共同的活動,，正如體育場里的半場或者全場歡呼,。

這個例子說明腦電是個低分辨率的神經(jīng)傳感技術(shù)。依照電磁場理論,，腦電的空間分辨率在一厘米左右,，也就是說一厘米范圍內(nèi)的神經(jīng)細胞活動,，對于腦電電極來說是不可區(qū)分的。如果有人宣稱可以用頭皮外面的腦電來解讀精細的思維活動,，例如探測你正在閱讀的文字,、心算的數(shù)字、回憶的內(nèi)容等,，都是天方夜譚,。

腦電產(chǎn)生的原理

大腦皮層的功能結(jié)構(gòu)。一些初級區(qū)和感官及肌肉控制有直接的關(guān)系,，如觸覺初級區(qū)和運動初級區(qū),。

那么，為什么Albany腦機接口大會上還有那么多人研究基于腦電的腦機接口呢,？當(dāng)然是因為它沒有創(chuàng)傷,，正常人也可以用。如果你能設(shè)計出精巧的視覺或聽覺刺激,，能讓腦機接口的使用者把自己的“簡單思維”通過注意力或者想象機制加載到自己的腦電波上,，你就可以分析使用者的腦電波，提取出他的“簡單思維”,。這是一種間接的“思維解讀”,，實際上是把腦電作為信息的載體，有點類似通訊系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)制,。Jonathan Wolpaw的研究組就是通過研究一種和注意力有關(guān)的事件誘發(fā)電位P300來實現(xiàn)腦機接口打字的,。P300電位是當(dāng)大腦檢測到小概率的外界刺激，或者在一連串重復(fù)事件中檢測到新奇事件時出現(xiàn)的,，這個電位活動最強的位置往往在頭頂中央,。因為電壓是正的，峰值大概在事件發(fā)生后300毫秒,，所以被稱為P300 (P for Positive),。如果把字母表隨機重復(fù)一遍，當(dāng)你希望選擇的那個字母出現(xiàn)的時候,，你的頭頂中央就會檢測到一個P300電位,，而其他不相干的字母出現(xiàn)時，P300電位不會出現(xiàn),。如果我們把26個字母和鍵盤按鍵精巧地排列起來,，快速地隨機在計算機屏幕上閃現(xiàn)，同時檢測你的P300腦電,，就可以分析出你要選擇輸入的字母,。Wolpaw研究組把P300應(yīng)用于腦電打字的腦機接口，取得了很大的成功,。這種設(shè)計的明顯的缺點是,，屏幕上的字母需要不停閃爍,，用戶會產(chǎn)生視覺疲勞；另外,，P300腦電波的個體差異較大,，給檢測算法帶來挑戰(zhàn)。

后來我的實驗室提出了一種新穎并穩(wěn)健的設(shè)計：借用視覺目標的移動,，而不是閃爍來激發(fā)一個200毫秒負向腦電波N200 (N for Negative) 來加載信息,，首次實現(xiàn)沒有閃爍，對任何用戶都很穩(wěn)健的腦機接口打字,。其背后的神經(jīng)機制也不再是對新奇事件的響應(yīng),，而是高級視覺處理——運動視覺區(qū)的響應(yīng)。這兩種方法的共同缺點是打字速度不夠快,。清華大學(xué)高上凱和高小榕兩位教授的研究組用頭皮表面的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（一種有周期性的視覺閃爍誘發(fā)的規(guī)律性腦電響應(yīng),，SSVEP）搭建了快速打字的腦機接口系統(tǒng)，至今仍然保持最快記錄,。這種腦機接口的信息加載在閃爍頻率上,，因而可以對視覺皮層的腦電波進行頻率調(diào)制或者編碼調(diào)制，從而實現(xiàn)很快的信息傳輸速度,，最快可以做到1秒左右打出一個字符,。

也許你會覺得這樣的腦機接口不夠自然，還需要外界的視覺刺激來配合,。能不能只是想一想,，就能通過腦電讀出來,？由于上面提到的腦電的低分辨率,，精細的“想法”是無法解讀的。唯一例外是“運動想象”,，當(dāng)想象左手,、右手或者腳的運動時，可以在頭頂向兩耳外側(cè)延展的帶狀區(qū)域（感覺運動帶）安放腦電電極,，檢測出這三種想象狀態(tài)的差別,。背后的生理基礎(chǔ)是感覺運動帶的功能劃分與身體的不同部位相對應(yīng)：左手的感覺運動由帶狀區(qū)域的右邊部分負責(zé)，右手則由左邊負責(zé),，形成對側(cè)交叉,，而下肢和腳部由中間區(qū)域負責(zé)；由于左右腳的負責(zé)區(qū)域都在頭皮中間,，所以左右腳是無法區(qū)分的,。如果在這三個區(qū)域（感覺運動帶的左中右）分別放上腦電電極，理想情況下,，檢測這三個位置的腦電活動強度變化,，就可以推測你是在想象左手,、右手還是腳的運動了。當(dāng)然,，你在真的運動手腳時,，這三個位置的腦電活動變化更加清晰強烈。這個簡單的對應(yīng)規(guī)律,，通過功能磁共振成像可以很清晰地展示出來,。因為頭皮表面的腦電非常微弱，有效信號只有微伏量級,，而且淹沒在很大的電學(xué)和生理噪聲中,，要準確地檢測出左右手和腳的運動想象，還需要微弱信號的處理技術(shù),。感覺運動帶的腦電主要能量變化集中在10赫茲和20赫茲附近,，即所謂的腦電alpha波段和beta波段。通常需要把采集到的腦電信號進行濾波,，把包含關(guān)鍵信號的alpha和beta頻段能量變化提取出來,，送入一個訓(xùn)練好的分類算法，才能最終完成對腦電信號的準確翻譯,。

感覺運動腦區(qū)和手腳運動的對應(yīng)關(guān)系

如果我們有高性能的腦電帽和放大器,、識別準確率高的算法，就能讓腦電波來控制屏幕光標,、假肢,、輪椅，甚至機器人,。因為腦電只能檢測出三種想象狀態(tài)的差別,，所以最多只能控制三個操作：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和前進,。2006年夏天德國足球世界杯期間,，我和高上凱、高小榕教授實驗室聯(lián)合開發(fā)了一套腦電控制機器狗踢足球的腦機接口系統(tǒng),，第一次實現(xiàn)了三個方向的實時運動控制,。通過特殊的訓(xùn)練和精巧的程序設(shè)計，少數(shù)人能夠控制二維和三維空間目標的移動,，例如美國明尼蘇達大學(xué)Bin He教授實驗室演示的腦電遙控?zé)o人機飛行,。最有戲劇性的演示是2014年巴西足球世界杯開幕式上的開球，這大概是歷史上最特別的一次：一位下肢殘疾的巴西青年在腦機接口技術(shù)的幫助下,，用自己的腦電控制一套下肢外骨骼（機械假肢）踢出了第一腳球,，其原理就是上面介紹的運動想象腦機接口。

這些演示猶如科幻,，讓人驚嘆,。為什么這樣的技術(shù)還沒有應(yīng)用到臨床,，幫助哪些重度殘疾的病人重新獲得運動能力？目前的技術(shù)困難一方面在腦電極,。前面交代過,，要獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定的腦電信號,，需要在電極和頭皮之間注入導(dǎo)電膠,，這種膠體適合于兩小時內(nèi)的短期使用，時間長了就會干結(jié),，其中的離子運動受阻,，腦電信號質(zhì)量會大幅度下降，直至腦機接口系統(tǒng)無法工作,；另一方面的難點是各種干擾的存在,，例如環(huán)境中的電磁噪聲、使用者體表的電生理信號等,，甚至使用者的心理狀態(tài)也會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，很多腦機接口的識別算法離開實驗室到了家居環(huán)境就無法穩(wěn)定工作了。隨著新的腦電傳感器（例如干電極）和識別算法的不斷改進,，相信未來的腦電帽一定會幫助一部分喪失運動功能的病人重新體驗運動的感覺,，提高生活質(zhì)量。

腦機接口控制機器狗踢足球

巴西世界杯癱瘓少年腦機接口開球

既然腦電信號不夠精準,，不夠穩(wěn)定,，為什么不把神經(jīng)傳感器放進腦內(nèi)，去探測和記錄每一個運動神經(jīng)細胞的活動,，做一個長期植入“一勞永逸”的腦機接口呢,？1998年，美國創(chuàng)業(yè)公司Neural Signals的創(chuàng)始人Philip Kennedy開始嘗試在人腦中植入微電極,，記錄運動區(qū)的神經(jīng)細胞放電,，希望幫助一位完全喪失運動能力的殘疾人恢復(fù)與外界的交流,。因為電極數(shù)目限制,，他的實驗展示了可能性，但解讀信號的準確率遠沒有達到實用要求,。他的初步研究以及60年代Grey Walter醫(yī)生的勇敢嘗試,，啟發(fā)了一批從事運動功能神經(jīng)電生理研究的學(xué)者，其中包括布朗大學(xué)John Donoghue,、匹茲堡大學(xué)Andrew Schwartz,、杜克大學(xué)Miguel Nicolelis、伯克利大學(xué)的Jose Carmena等,。他們都曾長期從事靈長類運動神經(jīng)電生理的研究,，對于猴子大腦運動皮層神經(jīng)細胞控制上肢運動的規(guī)律,，有著深入的理解。上面我們提到手腳運動是由對側(cè)的感覺運動帶控制的,，這只是個宏觀的規(guī)律,，進一步的問題是，手腳運動的方向,、加速度,、力量等這些參數(shù)是如何通過感覺運動帶的神經(jīng)細胞活動來編碼的？

這個問題的研究可以一直追溯到現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的奠基人,、1932年諾貝爾獎獲得者Charles Sherrington,。他發(fā)現(xiàn)肌肉的控制是由脊髓中的運動神經(jīng)細胞協(xié)同完成的，并非簡單的一對一的控制,。這個協(xié)同編碼( Population Coding )的思想啟發(fā)了后來的大腦運動皮層神經(jīng)編碼的研究,，特別是1980年代初，Apostolos Georgopoulos等人發(fā)現(xiàn)運動皮層神經(jīng)細胞是用一種“民主投票”的方式協(xié)同編碼手臂的運動方向的,。每個運動皮層神經(jīng)細胞都有自己喜好的方向,，有些喜好30度，有些45度等等,，當(dāng)大腦決定把手臂伸向某個目標角度時,，這些運動神經(jīng)細胞都會參與放電，如果目標角度和自己的喜好方向很接近,，它就放電多些,，反之就放電少些。形象地說就是,，喜歡就”大聲支持“,，不喜歡就”小聲附和一下“。如果把這些神經(jīng)細胞的放電活動用向量來表示,，向量的方向是這個細胞的喜好方向,，向量的長度是每秒鐘的放電次數(shù)（發(fā)放率），把所有能記錄到的細胞的“放電向量” 用向量求和的方式加起來,，得到的向量方向就是手臂要去的目標方向,。

神經(jīng)細胞“投票”決定運動方向

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，無論運動角度,，還是手臂端點的位置,、運動加速度，甚至手指的力量,，都可以用類似的群體協(xié)同編碼的方式來實現(xiàn),。如果再做些數(shù)學(xué)抽象，這個群體向量編碼（Population Vector Analysis, PVA），實際上就是用一組基向量（每個神經(jīng)細胞喜好方向的單位向量）來張成整個二維或者三維空間,，任意一個目標方向在這些基向量上的投影,，就是每個神經(jīng)細胞的發(fā)放率，多么完美簡潔的系統(tǒng),！理論上,，我們的運動大腦皮層只需要3個神經(jīng)細胞分別對應(yīng)xyz三個方向的基向量，整個三維空間就可以被完全表示了,，考慮到神經(jīng)細胞方法率不可能是負數(shù),，再增加3個xyz負方向的神經(jīng)細胞，也就足夠了,。實際上我們的大腦運動皮層有成千上萬的細胞參與了這個協(xié)同編碼,，這樣的冗余并非浪費，它使得編碼更加穩(wěn)健可靠,，其中少數(shù)細胞的“缺席”（死亡或者沒有被電極捕獲到）或者“偷懶”（發(fā)放率不準確）,，不會影響最后編碼目標方向的準確性。這樣的編碼規(guī)律完全可以表示為一個線性關(guān)系,，也就是目標方向的向量V等于“捕獲”到的神經(jīng)細胞的基向量A用各自發(fā)放率R的加權(quán)求和：V=A*R,。雖然我們還不知道這個方程是不是運動神經(jīng)細胞編碼的本質(zhì)，但它很好地擬合了已有的數(shù)據(jù),，甚至可以通過它來實現(xiàn)腦機接口所期望的解碼——由神經(jīng)細胞活動來推測運動方向,。如果先按照預(yù)定的軌跡V’運動，同時記錄神經(jīng)細胞放電R’,，得到一組數(shù)據(jù)后就可以求得矩陣A,；開始腦機接口解碼時，神經(jīng)細胞放電R是可以記錄到的,，通過V=A*R就可以得到當(dāng)前的目標方向,，也就是大腦要指揮外部設(shè)備（屏幕光標、假肢等）移動的方向,。

最初的植入腦機接口研究是在”訓(xùn)練有素“的猴子身上進行的,。2002年Donoghue實驗室的猴子可以用自己運動腦區(qū)的神經(jīng)細胞活動控制計算機屏幕上的目標在二維平面自由移動，隨后Schwartz實驗室的猴子通過類似的腦機接口可以在三維空間做到自由控制,，杜克大學(xué)Nicolelis實驗室的猴子甚至可以遙控遠在MIT的機械臂,。隨著電極植入技術(shù)和神經(jīng)活動解讀方法越來越精準，猴子可以通過腦機接口控制的參數(shù)個數(shù)越來越多,。到了2008年,，Schwartz實驗室的猴子可以做到自如控制機械臂的10個自由度,，并且用完全腦控的方式操作機械臂拿到了棉花糖喂自己,，這向人們展示了植入腦機接口用于殘疾人控制假肢的美好前景。

可以說，Georgopoulos的群體編碼理論,，加上這四只猴子”專注努力“,，以及背后一大批生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)者對神經(jīng)傳感技術(shù)和信號處理方法的精益求精，造就了植入腦機接口靈長類研究的黃金十年,。從靈長類到人類植入腦機接口的發(fā)展,，應(yīng)該感謝三位勇敢的重度殘疾人。第一位是高位截癱的病人Matthew Nagle,，2006年他同意在自己的大腦運動皮層對應(yīng)手部控制的區(qū)域植入了一個100通道的微電極陣列,，這個電極陣列連接到Donoghue實驗室研發(fā)的BrainGate腦機接口系統(tǒng)，實現(xiàn)了用“思維”控制屏幕光標,，打開郵件,，甚至玩乒乓游戲。不幸的是,，第二年Matthew因為感染去世,。第二位是Cathy Hutchinson，她因為中風(fēng)喪失了運動能力,，在BrainGate第二代腦機接口系統(tǒng)的幫助下,，她在2012年控制機械手端起咖啡送到自己嘴邊，開心地喝了一口,，這是她中風(fēng)15年來第一次,。第三位是因為車禍截癱的病人Ian Burkhart， 2016年在BrainGate第二代系統(tǒng)的幫助下,，他的運動神經(jīng)信號被翻譯成電脈沖,，來驅(qū)動他手臂上的肌肉刺激電極，讓手臂肌肉按照自己的意愿重新活動起來,，完成抓握,、轉(zhuǎn)腕、攪拌等動作,，甚至可以彈兩下吉他,。過去15年，植入腦機接口取得了從“猴”到“人”的進步,，除了神經(jīng)科學(xué)家,、生物醫(yī)學(xué)工程師，神經(jīng)外科大夫也在其中發(fā)揮了重要的作用,，這三例臨床實驗涉及的技術(shù)細節(jié)非常復(fù)雜,，無一例外都是這三方面研究者的團隊合作。

腦機接口幫助癱瘓病人喝到咖啡

腦機接口恢復(fù)截癱病人前臂運動

看到這些激動人心的研究成果,，大家也許會覺得植入腦機接口技術(shù)已經(jīng)非常完美,，臨床應(yīng)用已經(jīng)近在咫尺,，實則不然。到目前為止,，已有15-20位重度殘疾人參加植入腦機接口的臨床實驗,，都碰到了一個難以攻克的問題：植入電極因為神經(jīng)膠質(zhì)細胞的包裹而逐漸失效，無法繼續(xù)記錄神經(jīng)細胞的放電活動,。上述臨床實驗中采用的都是猶他電極陣列（Utah Array),，雖然只有4x4毫米，但上面的100個硅電極微針是要穿透大腦表面,，插入神經(jīng)細胞之間,，才能記錄到神經(jīng)放電信號，必然會造成神經(jīng)膠質(zhì)細胞的炎癥反應(yīng),。最糟糕的情況下,，2-3個月這些電極就會逐漸實效，長一點可以堅持2-3年,，但信號質(zhì)量逐漸下降,，腦機接口系統(tǒng)的工作性能也隨之下降。如果這個問題不能很好解決,，長期植入就無法實現(xiàn),，每2-3年做一次手術(shù)更換電極的代價太大。除此以外,，神經(jīng)信號的無線傳輸也是個難題,。以上這些臨床研究都在病人頭部安裝了有線的“插頭”，來傳送神經(jīng)信號和供電,，這大大增加了感染的風(fēng)險,。針對這兩個難題，科學(xué)家考慮了很多辦法,，例如通過在電極表面增加抗炎因子來減輕膠質(zhì)細胞的反應(yīng),；無線低功耗的神經(jīng)芯片也在研制當(dāng)中，甚至有人提出采用納米塵埃擴散到神經(jīng)細胞周圍去形成神經(jīng)塵埃（Neural Dust）,，通過超聲供電來獲取神經(jīng)信號等等,。

神經(jīng)膠質(zhì)細胞包裹電極導(dǎo)致記錄失效

為了解決這兩個難題，我的實驗室2013年提出一種新的微創(chuàng)腦機接口思路：把神經(jīng)電極只是埋入大腦皮層表面,，不穿透皮層,，通過少數(shù)幾個電極的場電位，而不是神經(jīng)放電活動,，來建立腦機接口,。這樣可以避免神經(jīng)膠質(zhì)細胞的炎癥反映和包裹，同時因為電極數(shù)目少,，信號采樣率低,，可以很容易地實現(xiàn)無線采集和供電,。這樣的微創(chuàng)方案獲取的神經(jīng)信息要少于電極陣列，但長期可靠性強,。為此,，我們設(shè)計了一種新的腦機接口打字方法,，把電極放在視覺腦區(qū)處理運動物體的高級區(qū)域,，用這個區(qū)域內(nèi)60赫茲以上的高頻率場電位變化來分辨病人的注意力焦點，從而實現(xiàn)快速準確,、長期穩(wěn)定的腦電打字,。目前我們正在和清華附屬玉泉醫(yī)院、解放軍總醫(yī)院,、清華長庚醫(yī)院,、神經(jīng)調(diào)控技術(shù)國家工程實驗室李路明教授團隊等合作開展臨床研究，希望在不久的將來克服植入腦機接口的難題,，實現(xiàn)和腦起搏器一樣的安全性和持久性,。

微創(chuàng)腦機接口臨床測試

腦機接口是一種很有未來感的技術(shù),，和外星探索一樣常常成為科幻電影的主題,。在電影《阿凡達》中，人類的思維活動可以轉(zhuǎn)移給“替身”(Avatar),，除了控制替身的活動之外,，還和替身一起經(jīng)歷外星球的體驗，腦機接口系統(tǒng)在電影中是一臺類似磁共振掃描儀的睡眠機器,；電影《超驗駭客》中,，神經(jīng)科學(xué)家威爾遇刺病危，他的妻子因為深愛他,，通過腦機接口技術(shù)把威爾的“思維”整體傳送到了互聯(lián)網(wǎng)上,，電影中腦機接口被抽象為數(shù)十個植入電極和一臺超級電腦。追求“蝴蝶一樣自由的思維”,，甚至是所謂“永生”,，是人類美好的夢想。站在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程的角度,，今天我們離這個目標還很遙遠,，根本的問題在于我們對大腦的工作機制，特別是信息編碼的規(guī)律知之甚少,。即使我們研究清楚這些規(guī)律,，也還需要生物醫(yī)學(xué)工程的方法體系將復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)制、轉(zhuǎn)移和保存下來,。我們今天已經(jīng)大體知道了生命信息的編碼規(guī)律,，但還是不能復(fù)制生命個體,，要復(fù)制意識層面的個體，難度可想而知,。但這個困難,，無法阻擋科學(xué)家不斷研究和發(fā)展相關(guān)的方法和技術(shù)，并用它們來幫助大腦和身體損傷的病人,，使他們從束縛身體的“潛水鐘”里解脫出來,。

腦機接口也是一個很有爭議的話題，和“腦控”等話題一起常常被批評,。其實這和“克隆人”,、“基因編輯”等技術(shù)發(fā)展初期碰到的倫理問題類似，今天我們討論的技術(shù),，完全沒有達到讀取和操控思維的水平,，當(dāng)前任何一種腦機接口技術(shù)都需要使用者非常主動的配合，才能把一定程度的思維活動信息讀取出來,。至于思維活動信息的寫入,，更是加倍的難。我們的思維活動在時間上是連續(xù)的,，在可預(yù)見的未來還無法像基因信息那樣編輯,。即使如此困難，仍有勇敢者不斷嘗試,，比如MIT的Tonegawa實驗室在過去三年中先后在轉(zhuǎn)基因小鼠身上,，通過光遺傳技術(shù)實現(xiàn)了一個比特恐懼信息的刪除、修改和寫入,。他們希望用這種技術(shù)幫助人們消除病理性的恐懼,，甚至治療老年癡呆癥患者的記憶障礙。這種技術(shù)在人腦上的應(yīng)用,，還有很多難以逾越的技術(shù)障礙,，并非如媒體所宣傳那樣近在眼前。

也許有人會問,，腦機接口技術(shù)最終會發(fā)展成什么水平,？我沒有答案，但可以提供科幻作家劉慈欣版的回答,。他在《三體》中提到一位面壁者希恩斯,，他發(fā)明了“全息思維成像”和“思想鋼印”，實際上就是終極的腦機接口技術(shù),，既能精確讀出,，也能精確寫入，這大概可以作為腦機接口技術(shù)的理論終點,，可以不斷接近但永遠無法達到......

延伸閱讀

① 人機對決：我們到底有沒有自由意志,？

② 點亮大腦：科學(xué)奇才如何破解神經(jīng)密碼,？

③ 探尋神秘的心靈異域：“神經(jīng)科學(xué)界的馬可波羅”拉馬錢德蘭

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賽先生由百人傳媒投資和創(chuàng)辦,，文小剛,、劉克峰、顏寧三位國際著名科學(xué)家擔(dān)任主編,，告訴你正在發(fā)生的科學(xué),。上帝忘了給我們翅膀，于是,，科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)我們飛翔,。

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