陳根：從需求邊界到技術極限，腦機接口的進路和遠方_風聞

文/陳根

2014年6月12日，聖保羅巴西世界盃的開幕式，一個下身癱瘓的巴西少年，依靠大腦控制機械骨骼的裝置，順利開球，這一全球目睹的史詩級時刻，就是腦機接口最早的真實應用。

此後，腦機接口的突破性技術開始頻繁刊載於各大學術期刊，以及各新聞的科技版面。2020年8月末，馬斯克再一次召開了其腦機接口公司Neuralink有關腦機接口最新進展的發佈會，並展示了三隻植入腦機芯片的小豬，人們可以通過顯示器來觀察豬的腦電波活動，並預測其行為。

馬斯克的直播吸引了全球15萬人的關注，一時間，關於腦機接口的技術關涉和倫理擔憂等議題紛至沓來**。事實上，作為一項前沿科技，腦機接口之所以能夠聚集這麼多的關注，一來是因為其利好醫療以及社會的巨大空間，二來就是腦機接口打造的是一個關乎“人”**的終極神話。

而在終極神話中，人們目前想像到的不外乎人腦與人的意識大幅提升，比如無限的記憶，更高速的運算；意識與機器的融合；對抗人工智能霸權等。

這當然是一個漫長的神話，但馬斯克以及更多腦機接口的突破技術卻似乎也呼應和強化這樣的想象，但在技術“無上限”的幻想前，我們先要回到最初的起點，去回答一個關乎技術需求的邊界和技術邏輯的極限的問題。

腦機接口以何立之？

所謂的腦機接口技術（brain-computer interface，BCl），就是一種實現人腦和計算機或其他設備之間通信的系統。腦機接口系統通過在人腦和計算機之間建立直接的信息傳輸通道，實現大腦與外部世界的直接交互。

腦機接口****屬於神經科學裏電生理學（electrophysiology）的衍生，二者使用的基本設備都不外乎是各種電極、信號放大器、數模轉換器和數據分析軟件。

不同的是，傳統電生理學，主要是通過採集並觀察實驗者/實驗動物在生理或病理狀態下特定腦區的神經元電信號數據來分析大腦的活動狀態，並以此推斷這些現象背後可能的生理/病理機制。而腦機接口技術，則更注重對腦內採集的電信號進行解讀，並將其輸出為計算機可以理解的程序指令，最終實現直接用神經元電活動來控制電子設備運行的目標。

但不論是腦機接口，還是電生理學，歸根結底，都離不開腦科學的支撐。事實上，腦機接口始於腦科學，也受腦科學發展的侷限。

腦是人類最為獨特的器官。數以千億的****神經元，組成了人腦的基本結構：負責處理大部分思維活動的大腦、負責協調運動的小腦以及連接其中的腦幹。

其中，腦幹雖然最為原始，卻並不“低級”，腦幹將大腦、小腦與脊髓連接起來，大腦與軀體間幾乎所有的神經投射都要通過這裏。此外，腦幹本身還調控着呼吸、體温和吞嚥等最重要生命活動，甚至大腦的意識活動也需要由它的“網狀激活系統（reticular activating system, RAS）”來維持。基於此**，腦幹得以成為人體最致命的要害；而一旦損毀，就是字面意義上的“秒殺”**。

對於大腦來説，結構則更加複雜。**大腦是人類所有組織器官中最複雜和最智能的部分，是整個神經系統的樞紐，也是人體所有其它器官的指揮者。**生物研究領域中的專家學者經過長期的研究，根據人類大腦中不同活動中的激活狀態，發現了不同的腦區對應着不同的認知功能，比如視覺、觸覺、聽覺、語言、運動等。

而大腦，正是腦機接口電信號產生的地方。大腦時時刻刻接受來自視神經、聽覺神經等，以及周圍神經系統（Peripheral Nervous System）傳送過來的信號。大腦將這些信號進行解析，併產生感覺，進而對外在環境做出反應形成運動信號。運動信號再通過脊髓傳達到周圍神經系統，進而控制肌肉控制人的身體，做出複雜（高級）運動行為。

當腦神經開始處理信息，就會產生相應的電磁信號。從神經元的構造來看，當神經元傳達信號時，神經元內外的帶電離子流動形成電流，電流到達突觸後激發化學反應繼續傳遞信號給下一個神經元。當一定數量的神經元像集成電路一樣一起工作時，就可以產生能被宏觀的電極所探測到的電磁信號。

電磁型號的變化，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。但從大腦功能的發現到電磁信號的翻譯，都仍只是腦科學和腦機接口技術的冰山一角。腦機接口技術發展到現在，研究者仍面臨着許多問題。

腦機接口的技術兩難

根據腦機接口與大腦的連接方式，可以分為非侵入式性、侵入式性和半侵入式性腦機接口。

在非侵入式腦機接口中，腦機接口設置在顱骨外，頭部的上皮點位是其收集腦電信號的主流方法之一。但是這種方法收集的信號存在着偽跡過大（如眨眼偽跡和麪部肌肉信號偽跡），信號帶寬過低（一般小於70 Hz）和信號強度低（因為顱骨阻擋）的問題。**而信號的質量直接影響了結果的質量，****顯然，**再好的算法也救不回被污染的數據。

侵入式性腦機接口要求微電極植入頭骨下的大腦皮層中，直接接觸神經元細胞以此來獲得更純淨的信號。在這種情況下，信號可能會被以高質量產生採集，但隨着時間的推移容易出現疤痕組織，從而影響後續的信號接收此外，而一旦種植了侵入式性腦機接口/探針，就不可能將其移動來測量大腦的其他部分。

現有的電極陣列再怎麼精密，考慮到實際的實驗情況，一次能夠同時記錄到的神經元信號數目也基本都只有兩位數，相比於整個大腦，甚至僅僅一個腦區或者核團之中天文數字的神經元總數，這麼一點樣本量究竟能説明多少問題本身都是個問題。

**此外，侵入式腦機接口還面臨慢性神經炎症，局部腦組織損傷等健康風險。**比如，馬斯克和他的團隊使用的就是在皮質上植入和皮質裏植入相結合的方式，將類似於微絲陣列（用於皮層上）和密歇根式探針（用於皮層中）的電極植入到人的腦內。儘管馬斯克和其團隊提到這個電極植入機器人可以避開腦血管，進而不打破腦血屏障，避免炎症的發生。

但是，與皮層相關的植入方式還面臨着慢性神經炎症，局部腦組織損傷，以及局部腦組織損傷帶來的細胞反應（小神經膠質反應和星形膠質細胞反應）還有電極穿透時引發的細胞外基質變化的反應。這些都是因電極植入引起的慢性腦組織反應，他們不僅會影響信號長期收集，還會引起人腦可能的惡性變異。

歸根結底，腦機接口的輸入信息也只是電極採集的大腦電活動。顯然，若是用非侵入式的頭皮電極，就只能隔着頭皮、顱骨和腦膜記錄到大腦宏觀層面的腦電波（electroencephalogram, EEG），精度很差。而使用侵入式電極記錄具體的神經元電活動，破解了精度侷限，但數量和安全又成了問題。

事實上，無論之後的數據處理算法多麼給力，但巧婦難為無米之炊，只要源頭數據的問題沒有解決，整個腦機接口技術就難以出現賽博朋克作品裏那種爆發性的應用狂潮。

一個關乎**“人”**的終極神話

腦機接口的發展其實與腦科學的進步密切相關。只有腦科學進一步發展，腦機接口的設計才能更加可靠。

事實上，目前的腦機接口，雖然也有各種意義上的進展和應用，比如通過記錄分析腦電，讓全身癱瘓的患者也能用電腦輸入文字、甚至操縱機械臂和無人機，但這些依然是通過精妙的算法分析，在信息量極其有限並且滿是噪音的原始數據中實現翻譯，這也依然和科幻作品中的構思大相徑庭。

腦機接口的神話是人腦與人的意識可能大幅提升，包括無限的記憶，更高速的運算，正面感受的增強，更好的專注度，視覺聽覺的提升，甚至是心靈感應等超自然的想法。

另一方面，究其根本，神經衝動就是電與化學信號形成的網絡，這就意味着可能轉化為模擬信號和數字信號，這既可以讓神經系統直連電子系統，甚至可以將人的記憶和意識徹底電子化，進而實現數字永生。

但顯然，這是一個漫長的神話，在腦機接口走向神話前，必然要面臨的是人們思維與意識的解碼困境。而在目前的神經科學的研究中，科學家們對於腦內思維活動的分析還並不能做到直接讀取到個體的所想和所思考。從科學研究的角度出發，腦內活動的理性理解，大部分是從事件跟神經活動的關聯性出發的，其理解過程很依賴於研究者對關聯形式主觀判斷的準確性。

此外，現階段，科學家對意識的產生的研究，對記憶塑造的方法以及不同腦皮質分區合作的機理尚沒有定論。這些問題與腦機接口是否能實現讓大腦與互聯網或者個人服務器相連接的功能實現息息相關。

以記憶存儲為例，事實上記憶的物理形式是什麼？是神經網絡的結構狀態，還是分子網絡的組學狀態，這本身就需要界定。而要實現記憶的存儲甚至轉移，首先需要了解記憶的編碼形式並能進行讀取。

目前已經知道一些基因與記憶的形成有關，甚至被當做是否有記憶形成過程發生的依據，如c-Fos、zif268等，但是這些基因的表達模式本身並不能達到作為記憶編碼形式來對待的要求。

從應用的角度出發，或者特殊場景的角度出發，腦機接口無疑顯示出一種實用的希望和巨大的社會價值，這需要進一步的研究和更多的技術支撐。但同時，腦機接口也承載了一個關乎“人”的終極神話，而這關乎技術需求的邊界和技術邏輯的極限。

對技術熱情的期盼之下，其終極奧義在於，如何使用一種越來越具身性（embodiment）的技術，在無需把機械裝進肉身的前提之下，實現人與機器的連接和交互。這也涉及了一個更深刻的問題：我們的身體和大腦到底想要多大的控制範圍？或者，我們已經為放棄控制做好了什麼樣的準備？