从科幻到现实：脑机接口的20年

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从科幻到现实：脑机接口的20年
                               
                                4月7日晚上，在中央电视台的一档节目《挑战不可能》上，身着白色西装、灰色裤子的王甲在一片掌声中出场了。 但与其他参加节目的嘉宾不一样的是，王甲是坐在轮椅上，被父母推着
                               
                               

4月7日晚上，在中央电视台的一档节目《挑战不可能》上，身着白色西装、灰色裤子的王甲在一片掌声中出场了。
但与其他参加节目的嘉宾不一样的是，王甲是坐在轮椅上，被父母推着出场的。今年36的岁他，已经被困轮椅12年。2007年，是王甲大学毕业的第二年，他被确诊患有肌萎性脊髓侧索硬化症，也就是人们熟知的渐冻症。疾病破坏了他的运动神经元，肌肉开始萎缩，身体能活动的部位越来越少：直到最后只剩右手一根手指可以活动，当王甲出现在《挑战不可能》的节目现场时，他只有眼部周围的肌肉能够转动了。
尽管如此，王甲还是能够感应外界环境，大脑里仍然存在正常的神经活动，只是因为外周肌肉神经的萎缩，让他无法对外界作出回应——他的身体似乎成为了思维的牢笼。
脑机接口技术的出现，帮助王甲找到了打开牢笼的钥匙。在王甲还剩下一根手指能动的时候，清华大学医学院的高小榕教授和同事为王甲重新建立了他和世界的联系。4月7日晚上，在节目现场，王甲利用脑机接口打字系统，通过意念控制机器，在电脑屏幕上打出了著名作家舒婷的诗句：“希望，而且为之奋斗，把这一切放在你的肩上。”
脑机接口不仅给了王甲希望，其他渐冻症患者、瘫痪患者，甚至正常人，都可能受益于脑机接口技术。为了更全面地了解脑机接口技术在世界与中国的进展，《环球科学》对中国脑机接口技术主要创建人之一高小榕教授进行了一次专访。

《环球科学》：脑机接口技术的发展经历了哪些重要阶段？
高小榕：首篇脑机接口的研究论文发表于1973年。在这篇文章里，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的比达尔（Vidal）教授首次使用brain-computer interface一词来表述大脑与外界的直接信息传输通路，并提出了脑机接口的系统框架雏形。尽管当时的计算机还是电冰箱一般大小，他就已经想到了计算机与大脑接口的问题。但由于那时的计算机技术还处于早期阶段，也没有操作系统，因此脑机接口技术也没有进一步的发展。但比达尔提出的脑机框图非常经典，描述了从大脑提取脑电信号，输入到计算机，然后再返回大脑的过程，这个框图现在也仍然成立。
直到2000年，脑机接口才再次进入科学家的研究计划，脑机接口概念也得到了更新，即不需要外周神经参与的人机交互界面，现在我们也一直沿用着该定义。当时，得益于计算机和脑电研究的进步，包括欧洲和中国在内也都开始重新研究脑机接口。实际上在2000年之前，脑机接口还是一种科幻概念，但经过20年的发展，这种技术已经可以真正改善各类神经疾病患者的生活质量，惠及普通大众，算得上是最快从科幻变为现实的技术。

《环球科学》：在中国，已经有患者开始使用脑机接口技术吗？
高小榕：最好的例子就是王甲了。他在2007年被确诊为渐冻症，一年后由于舌头肌肉萎缩丧失了语言功能，从那时起就已经无法和世界交流了。后来，我们先后为他创建了单指打字系统，以及现在的脑机接口打字系统。我印象最深的是，王甲第一次尝试使用脑机接口时，他就打出了一句话：“我是身体的穷人，但是是精神的富人”。除了王甲，中国还有上百位患者也在尝试用脑机接口技术改善生活质量，但王甲是使用状态最好的一位。

《环球科学》：在本期封面故事中，安德森团队专注于电极植入式的脑机接口，脑机接口是否还有其他方法实现，中国主要是采用哪种方式？
高小榕：实际上，脑机接口是分为两大类的，一类称作Brain-machine-interface（BMI），还有一类被称作Brain-computer-interface（BCI），这两类分别负责控制不同种类的接收器，前者是机器，后者是电脑。而这其中又可以分为有创和无创脑机接口两种类型，以美国为首的科学家，包括你提到的安德森都是研究有创脑机接口，封面故事中的患者都需要经历手术，向头部植入电极来实现脑机交互。而欧洲以及包括中国在内的许多亚洲国家都是研究无创脑机接口，这两类研究基本是独立发展的。
中国的有创脑机接口起步非常晚，大约是在2010年后才开始，目前只有浙江大学在有创脑机接口方向做出了一些研究。中国主要还是致力于无创脑机接口的开发，这主要是因为有创脑机接口所需的投入更高，而我们相关的科研投入与美国相比还不算充足。此外，无创脑机接口的风险性更小，从伦理上来说更容易被普通大众接受，因此中国主要还是选择研究以BCI为基础的无创脑机接口。

《环球科学》：有创和无创两类脑机接口相比各有什么优缺点？
高小榕：有创的脑机接口最大的好处就是能够直接从大脑皮层获取信息，这样可以避免神经信号因远距离传播而衰减。这种技术记录到的信号具有极高的信噪比和良好的时间、空间及频率分辨率。但有创脑机接口目前面临的关键问题就是电极植入的准确性，因为电极很难精确定位到需要植入的脑区，即使找到脑区，植入电极后，患者还需要经过大量时间的训练才能使用。此外，植入电极后大约一年左右，电极就会被疤痕组织包围，神经信号会被大大削弱，需要进行更换。
无创脑机接口则不需要进行手术，而是直接从患者的头皮表面记录神经信号，这种方式对患者的身体损伤小，并且可以节约大量训练时间，比如王甲在试戴脑机接口打字系统的当天就可以进行操作。但是，借用美国有创脑机团队的话来说，无创的技术会产生许多噪音，这会干扰机器对信号的读取。这也是无创脑机接口需要解决的问题。

《环球科学》：除了渐冻症，现在脑机接口还能改善哪些疾病？是否与大脑相关的疾病都能用脑机接口解决？
高小榕：理论上来说，如果人的外周神经系统出现问题，但只要大脑的功能是完好的，都能借助脑机接口技术改善疾病状况。在科学界，现在研究脑机接口的主要目的，或者说服务对象还是残疾人群体。大概在2015年以前，几乎所有的脑机接口技术针对的目标人群都是残疾人。

《环球科学》：在未来，脑机接口除了用于残疾人，是否能够增强正常人的能力或者有更智能的发展方向？
高小榕：埃隆·马斯克已经向脑机接口技术投入了研究资金，他的目标是创造“超人”。他的举措将把脑机接口的应用对象从少部分病患群体扩大到所有的正常人。
目前，我们与计算机交流通常是利用鼠标、键盘或者语言，而最快的语言-计算机交流系统的带宽传输只有100比特/秒，但计算机之间的交流速度已经达到100兆/秒左右。所以，人类的信息传递给计算机的过程太慢了，这种信息交流速度的差距会阻碍智能发展。因此，我们对未来的想法就是直接从人脑提取信息，绕过我们身体的信号解码系统，利用脑机接口让大脑与计算机直接进行交流。当然从目前来看，这还属于科幻的范畴，但它肯定是脑机接口技术的发展方向，一旦实现，将极大地增强人类身体机能的运用。