随著(zhe)人工智能(néng)的發(fā)展，腦機接口也逐漸從科幻走進(jìn)現實。有人希望以此造就(jiù)“超人”，更多的人則希望能(néng)夠解決實際問題——讓盲人複明、讓癱瘓在床的患者重新走路、讓阿爾茲海默症患者找回曾經(jīng)的記憶……但也有人持有懷疑态度：腦機接口會(huì)不會(huì)讓别人控制自己的大腦？被(bèi)人工智能(néng)增強了能(néng)力的人，還(hái)能(néng)稱之爲“人”嗎？日前，北京郵電大學(xué)教授楊義先、鈕心忻完成(chéng)的科普書《人工智能(néng)未來簡史：基于腦機接口的超人制造願景》，對(duì)腦機接口的過(guò)去、現在和未來進(jìn)行了全面(miàn)、客觀而系統的梳理。本期，我們邀請兩(liǎng)位作者撰文，簡單介紹一下他們眼中的腦機接口。

腦機接口并不是個新名詞

腦機接口就(jiù)是腦系統（準确地說(shuō)是以腦爲主的神經(jīng)系統）與機系統（準确地說(shuō)是人造的體外系統）之間的接口（準确地說(shuō)是電子信息接口）。

既然是接口，腦機接口的主要任務有兩(liǎng)個：一是輸出，即把腦系統的電信号提取出來，并以此作爲控制信号或腦電信息，讓機系統去做腦系統想讓它做的事(shì)情（即意念控制）或了解腦系統的想法（即猜心術或意念通信）；二是輸入，即把機系統的指令以電信号的形式送入神經(jīng)系統，讓腦系統去做機系統想讓它做的事(shì)情，或將(jiāng)既有知識或技能(néng)“下載”給腦系統讓它“不學(xué)而會(huì)”。在遙遠的將(jiāng)來，人們或許能(néng)夠通過(guò)腦機接口實現意念通信。

總之，腦機接口的最核心思想是：包括大腦在内的神經(jīng)系統，其實就(jiù)是像電腦一樣(yàng)的信息系統，神經(jīng)系統的各部分之間既接收和傳遞信息，又接受電信号的控制而執行相關命令，所以，腦系統才能(néng)與機系統彼此連接。

腦機接口絕非新鮮事(shì)物，其曆史之悠久可能(néng)出乎許多人的意料。早在1783年，伽伐尼用不同金屬觸碰死青蛙大腿的兩(liǎng)端并引起(qǐ)了肌肉收縮，這(zhè)其實就(jiù)在無意間完成(chéng)了一次腦機接口實驗。該實驗不但表明生物機體是“發(fā)電機”，還(hái)表明電流哪怕隻是十分微弱的電流，也可引發(fā)神經(jīng)的劇烈運動。

1818年11月，英國(guó)解剖學(xué)醫生尤爾在格拉斯大學(xué)操場上公開(kāi)表演了一個恐怖實驗，展示了電流刺激如何讓神經(jīng)系統産生預期動作。原來，經(jīng)過(guò)法院特批後(hòu)，尤爾對(duì)一具死刑犯的屍體進(jìn)行了通電實驗，成(chéng)功地讓該屍體産生了諸如呼吸、擡手、蹬腿、睜眼等動作，還(hái)表現出憤怒、恐懼、絕望、痛苦、驚悚和微笑等表情。尤爾當然不是在虐待屍體或嘩衆取寵，而是在嘗試把將(jiāng)死之人救活——實際上，正是通過(guò)這(zhè)次實驗，尤爾後(hòu)來發(fā)明了心髒起(qǐ)搏電擊法，并沿用至今。

從腦機接口角度看，尤爾首次以事(shì)實證明，隻要對(duì)局部神經(jīng)系統輸入合适的電信号，人體就(jiù)會(huì)乖乖地執行相關命令。那麼(me)，理論上，隻要能(néng)通過(guò)外力改變相關的電信号，就(jiù)可改變運動神經(jīng)的相關動作，這(zhè)便是腦機接口可以治療帕金森症等的理論基礎。若再加推廣，任何人都(dōu)可以很快成(chéng)爲全球第二的鋼琴家——隻需將(jiāng)排名第一的鋼琴家彈鋼琴時(shí)的手臂運動神經(jīng)電信号，原封不動地輸入自己手臂上相應的運動神經(jīng)，雙手就(jiù)會(huì)不由自主地彈出優美曲調。同時(shí)，雙手的感覺信息又會(huì)反饋給大腦，讓大腦逐漸學(xué)會(huì)如何向(xiàng)手臂發(fā)布正确命令。這(zhè)就(jiù)相當于鋼琴大師以最精确的重複方式，“手把手”地教人彈鋼琴。

腦電波的神奇功能(néng)

1902年11月，德國(guó)耶拿的一家精神病院裡(lǐ)，一位特别膽大的醫生伯格收治了一位病人，他被(bèi)擊中頭部，并在顱骨留下一個彈孔。傷者彈口處的皮膚雖然痊愈了，卻能(néng)被(bèi)觀察到不斷跳動。伯格通過(guò)記錄頭皮跳動的波形，發(fā)現了一個驚天秘密：該波形會(huì)随著(zhe)患者的思想而很有規律地變化。哪怕患者隻是在聽、看、嗅、觸或做其他很微小的動作，甚至患者的情緒波動，都(dōu)會(huì)影響波形。

冥思苦想20餘年後(hòu)，伯格醫生于1924年在他兒子的頭上成(chéng)功進(jìn)行了一次腦電檢測實驗。他將(jiāng)自制電流計的正負兩(liǎng)極分别接在兒子的額頭和後(hòu)腦勺的頭皮上，結果真的記錄到了振蕩頻率大約爲10赫茲的神奇電波，如今這(zhè)種(zhǒng)電波稱爲伯格波。他觀察到，伯格波會(huì)随著(zhe)受試者心理和生理情況的變化而變化，甚至哪怕隻是眨眼之類的小動作都(dōu)會(huì)讓伯格波發(fā)生變化，而正常人與精神病患者的伯格波也不相同。

後(hòu)來，科學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)現，從頭皮上不同部位都(dōu)可以檢測到不同頻率的電磁波，于是便將(jiāng)這(zhè)些頻率不同的電磁波的彙集，統稱爲腦電波。

随著(zhe)研究的深入，人們發(fā)現，腦電波具有衆多奇妙功能(néng)。比如，腦電波能(néng)預測某人的學(xué)習潛力，特别是外語的學(xué)習潛力。原來，如果大腦右側颞葉和頂葉區域的β波（腦電波中的一種(zhǒng)頻率爲14至30赫茲的子波）很強，那很可能(néng)預示著(zhe)受試者有較強的外語學(xué)習能(néng)力；另一方面(miàn)，經(jīng)過(guò)外語訓練的成(chéng)年人，其β波确實會(huì)明顯增強。

腦電波還(hái)能(néng)用來“猜心”——當你給一個小孩講數學(xué)題時(shí)，怎麼(me)知道(dào)他是否在用心聽呢？當小孩聽懂了講解時(shí)，腦電波就(jiù)會(huì)明顯活躍；如果他對(duì)講解感興趣，其腦電波會(huì)更加活躍；當他隻是在應付，其腦電波就(jiù)會(huì)明顯減弱。甚至，心理學(xué)家利用腦電波還(hái)能(néng)知道(dào)受試者到底是在想桌子還(hái)是椅子，或者是在想1到7中的哪個數——受試者在冥想不同事(shì)物時(shí)，他的腦電波是不同的，隻要能(néng)得到受試者之前相應的腦電波，便可通過(guò)簡單對(duì)比而準确地猜出受試者的選擇。人們在研究中也發(fā)現，對(duì)某些特殊場景中的句子，許多人會(huì)激發(fā)出幾乎相同的腦電波；反之，通過(guò)檢測這(zhè)種(zhǒng)腦電波是否存在，就(jiù)能(néng)推斷出受試者是否正在冥想某個句子。有人就(jiù)通過(guò)這(zhè)種(zhǒng)方法，對(duì)多達240個預定的句子完成(chéng)了準确度很高的“猜心術”。

腦電波還(hái)可用于簡單的意念控制。人們發(fā)現，每個人在冥想單音節字時(shí)，所激發(fā)的腦電波幾乎各不相同，而且這(zhè)種(zhǒng)腦電波比較穩定。于是，控制玩具車這(zhè)類簡單的意念控制就(jiù)比較容易實現：當你冥想前、後(hòu)、左、右四個字時(shí)，腦電波是各不相同的，而且每個字所對(duì)應的腦電波還(hái)比較穩定，那麼(me)隻需要利用這(zhè)四個穩定的腦電波信号，就(jiù)能(néng)實現讓玩具車前、後(hòu)、左、右行駛。更一般地，若某種(zhǒng)操作的命令個數隻是有限的N個，那麼(me)，隻需要經(jīng)過(guò)簡單的訓練和簡單的指令信号對(duì)應，任何人都(dōu)可以輕松完成(chéng)意念控制任務。

反之，适當幹擾腦電波也可以影響受試者。比如，受試者面(miàn)對(duì)“蘋果”兩(liǎng)字時(shí)，既可能(néng)想到香甜可口的水果，也可能(néng)想到蘋果牌電子産品。如果适時(shí)利用一種(zhǒng)名叫(jiào)“經(jīng)顱刺激”的技術來刺激受試者的美味反應區，那麼(me)，就(jiù)可讓受試者更傾向(xiàng)于將(jiāng)“蘋果”理解爲美食，哪怕受試者本來是想買手機。

從幻想照進(jìn)現實

如今，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了多種(zhǒng)獲取腦電波的設備。已經(jīng)投入應用的主要是針對(duì)健康人群的、精準性稍差一些的非植入式設備，比如大家經(jīng)常在電視中見到的電極帽，或更加昂貴的磁共振成(chéng)像儀等。

近些年來，科學(xué)家和工程師們則在開(kāi)發(fā)用于特殊病人的植入式設備上花費了大量精力。這(zhè)類設備被(bèi)稱爲腦機芯片或幹脆簡稱爲腦機接口，它能(néng)獲得更加精準的腦電信息，也能(néng)將(jiāng)外界電信号更加精準地輸入大腦。實際上，早在1857年，植入式設備就(jiù)被(bèi)用于獲取兔子和猴子的腦電波。但因爲安全性、倫理性等考慮，一直沒(méi)有在人類的臨床上取得突破。但是随著(zhe)人工智能(néng)相關技術和工程技術、材料技術的飛速發(fā)展，不少科學(xué)家又開(kāi)始了這(zhè)類嘗試，例如馬斯克即將(jiāng)推出的腦機接口就(jiù)是植入設備的典型代表。

如今，學(xué)術界比較一緻地根據控制信息的精準程度，將(jiāng)腦機接口分爲宏觀型、中觀型和微觀型三大類。其中，宏觀型腦機接口傳遞的信息主要是腦電波。此類腦機接口的特點是：原理簡單，一說(shuō)就(jiù)懂；實現不難，而且已經(jīng)或正在許多領域中廣泛使用；精度不夠，既不能(néng)實現複雜而精準的意念控制，更不是今後(hòu)意念通信的備選方案。

微觀型腦機接口是與宏觀型腦機接口相對(duì)的另一個極端，它們傳遞的信息主要是神經(jīng)元個體或群體的電特性。它們將(jiāng)是未來研究的難點和重點，一旦實現，將(jiāng)極大地改變人類的現狀，但我們也必須承認，或許在可見的將(jiāng)來，這(zhè)都(dōu)還(hái)隻能(néng)是夢想。我們在《人工智能(néng)未來簡史》一書中用四句話來描述微觀型腦機接口：不是科幻勝似科幻，腦電之妙玄之又玄；人性自足不假外延，格物緻知重在内涵。

中觀型腦機接口介于宏觀型和微觀型之間。與宏觀型相比，中觀型腦機接口將(jiāng)宏觀的體外腦電波替換爲顱腔内的“大腦地圖”，即大腦中與物理位置相關的一些電信号。若幹年來，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)反複探測，獲得了一些電信号。比如，刺激某個位置的神經(jīng)時(shí)，受試者會(huì)有幸福感；刺激另一個位置，受試者則會(huì)在某個指尖上産生觸摸感等。基于這(zhè)類研究，科學(xué)家們不斷繪制更詳細的“大腦地圖”。可以想見，隻要能(néng)足夠精準地獲得某人某時(shí)的“大腦地圖”，便可在一定程度上實時(shí)了解受試者的某些感覺；同樣(yàng)，隻要掌握好(hǎo)電信号的刺激位置、時(shí)機、電流強度等，便可以讓受試者産生相應的感覺，或對(duì)肢體發(fā)出相應的控制命令等。

如今，科學(xué)家們已經(jīng)在中觀型腦機接口上取得了突破性進(jìn)展。比如，讓盲人“看見”東西。具體來說(shuō)，就(jiù)是讓攝像機將(jiāng)圖像切割成(chéng)20×20的400個點陣，并根據每個點陣的亮度，在皮膚的相應點陣位置上産生相應強度的震動。于是，經(jīng)過(guò)适當訓練後(hòu)，受試者不用“眼見爲實”，就(jiù)能(néng)在頭腦中形成(chéng)明暗不同的點陣圖像，從而以黑白圖像的方式識别出不同的面(miàn)孔，知道(dào)物體的遠近，觀察到物體的旋轉及形狀變化，了解當前的觀察角度；甚至還(hái)能(néng)像常人那樣(yàng)，通過(guò)想象“看見”物體被(bèi)遮擋的部分。

腦機接口展現了無限可能(néng)，吸引著(zhe)科學(xué)家們前赴後(hòu)繼，不懈攻關，也將(jiāng)是國(guó)際競争的焦點。未來，就(jiù)從今天開(kāi)始。

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來源：光明日報