靠意念行走：“脑机接口”技术未来潜能无限（一）

出品：新浪科技《科学大家》、腾讯科学WE大会

撰文：米格尔·尼科莱利斯教授（Miguel Nicolelis）美国杜克大学神经生物学、神经学和生物医学工程教授，脑机接口权威专家，神经科学家

　　提到脑机接口，你会想到什么？是话题感十足的Neuralink公司研发的大脑芯片？还是电影《X-men》中X教授通过“脑波强化机”能够将他的脑电波放大，与任何地方的任何人实现连接的情节？实际上，听起来科幻感十足的脑机接口概念，已经离大家的生活越来越近了，甚至已经在一些领域，实现了划时代的应用价值，一些在我提出这一设想之初完全没能想到的重要应用。

脑机接口初设想

　　1998年，我和John Chapin开始着手研究一种新的技术，我们将其称为“脑机接口”。

　　那什么是脑机接口呢？下图是我们最初发布的用来阐释这一想法的图解。一开始，我们希望将活体动物或人类的大脑与设备直接连接，比如电子的、机械的甚至是虚拟的人造设备。它们无需放在连接对象的近旁，我们可以把它们放在另一个房间，另一个国家 ，甚至地球另一端。

　　当时，我和约翰的想法是，实时采集实验对象准备移动身体时大脑发出的电信号，但我们并未观察实验对象的身体活动，而是记录相应的大脑活动。再在不到1/3秒的时间里，将这一信号转化为能够发送至人造执行装置的数字指令。该装置可能就在连接对象旁边，也可能离他很远，全程可以直接通过大脑控制装置 ，无需身体参与。接下来，装置将会把包含运动想象的脑电信号转化为能够控制人工装置的电子指令。这整个过程必须在300毫秒以内完成，因为这正是从运动想象产生到身体执行的时间。

通过脑机接口精准游戏的恒河猴

　　最初的实验是在猴子身上进行的，之后才逐步实现了人类实验。第一个实验中，一只恒河猴学会了如何控制最初版本的脑机接口。该设备能控制显示屏上电脑光标的移动，让这只猴子和我们一样玩电子游戏。这个游戏需要猴子通过操纵杆，让光标穿过显示屏上随机出现的一个球体。

　　每一次光标成功穿过目标，猴子就能得到一滴喜爱的橙汁作为奖励。但它不知道的是，每次正确完成操作，我们就会记录下它大脑中100个神经元的活，然后把这些脑电信号发送给一组计算机。由它们来提取其中的运动指令，将其嵌入、然后转化为机械手臂可以理解的电子指令。

　　我们当时的想法是：等猴子能够非常熟练地通过操纵杆玩游戏的时候，我们就拿走操纵杆，打开脑机接口，观察猴子能否在仅靠想象，不涉及任何身体动作的情况下让机械手臂控制光标穿过目标。果然，猴子做到了。至此我们已经完成了实验的上半部分——将大脑从身体的束缚中解放出来，使之能够直接与外部世界互动。

　　实验用到的这个操纵杆惯性非常低 ，精准度很高。一开始，猴子用操纵杆玩游戏，就能够准确地将光标移入目标中。每一次操作完成，猴子都会得到一滴它喜欢的橙汁。猴子对游戏越来越熟练，每天玩一个小时 ，准确率能达到99%以上。这时候我们意识到，是时候首次测试一下，通过脑机接口进行实时操作了。

　　于是我们拿走了操纵杆，让猴子自然地坐在椅子上。我们问自己：猴子能不能弄明白 它只需要动脑想象，就可以让机械手臂控制光标，然后和之前一样得到果汁呢？来看它的操作，它做到了。猴子的身体没动，手臂也没动，只是想象着把光标移到目标内。与此同时，我们的电脑记录下猴子大脑发出的电信号，提取其中能够控制真实手臂活动的运动指令，转变其路径，使之控制机械手臂来完成游戏。

　　正如大家所见，逐渐地，猴子能越来越熟练地用大脑控制机械手臂完成游戏，无需任何身体动作。这只是脑机接口发展之初的情况。

　　在过去20多年里，我们制造出了很多不同种类的脑机接口。比如同时控制两只机械手臂的，还有控制腿部的，但接下来我要说的是其中最复杂的一种，我们称之为“脑-机-脑接口”。

　　由大脑直接与虚拟设备互动完成的“触觉识别”实验在此之后得以成型。这里不涉及任何机械设备，有的只是一个猴子已经将其认作自己身体一部分的虚拟设备。整个过程中猴子需要想象如何将虚拟手臂移至屏幕显示的物体上。这些物体都具有无法通过视觉识别的虚拟质感，猴子需要识别出这些质感才能得到橙汁。它需要选出触觉振动频率最高的物体，也就是摸起来类似于砂纸一类的粗糙物体，但不能用自己的手，而是要通过想象来控制一只虚拟手臂完成。

　　虚拟手臂在物体表面划过和虚拟质感相对应的电信号，会回传到猴子大脑中一个叫做触觉皮层的区域。该区域的作用是处理触觉信息，让我们能识别出所触摸的物体。猴子能够通过脑机接口移动虚拟手臂，然后通过另一轮控制使这一过程形成封闭回路。触觉信息从虚拟世界中传回大脑后做出选择，选出两个物体中触觉振动频率较高的那个。

　　大家应该都知道，声音的大小和振动频率的高低是相对应的。猴子控制着一个虚拟手指，触摸这两个触觉振动频率不同的物体，然后做出选择以获得果汁。手指划过物体，猴子看到的就只是这样的图像，但它需要选择哪个触感振动频率更高。如果它成功把手指停留在那个触感振动频率更高的物体上，就能得到一滴橙汁。值得注意的是，每个任务中两个物体的频率比是不同的，所以难度相当高。但是这只猴子做到了，就像用自己的手指完成的一样好。