脑机接口技术介绍-脑机接口癫痫成功治疗

马斯克的脑机接口要开展人体实验了，大脑植入技术目前有哪些项目？

科技狂人马斯克的脑机接口公司又有新进展了。此前大家普遍认为这又是一个营销噱头，但自从看到该公司通过植入芯片训练猴子打乒乓球的视频以后，那些质疑的声音立马少了很多。后来他们又尝试训练猴子做一些更智能化的操作，比如给手机充电，与工作人员交流等等都让吃瓜群众们大开眼界。现在马斯克正式向外界宣布，Neuralink的脑机芯片最短在6个月内将会开展人体实验。不管消息是真是假，不管最后结果能不能成功，这都是全球科技界的重磅新闻。

目前该公司的脑机芯片植入技术有三个项目正在展开，其中有两个是帮助失明的人重新复明，当然这个跟大家想象的不太一样，并非是从生理层面彻底恢复一个人的视力，而是利用脑机芯片的辅助功能配合着外部设备帮助盲人正确的识别周边的环境，目前这项技术取得了一定突破，即便是先天性失明的人也能因此获益。最后一个项目是帮助瘫痪的人重新复健，瘫痪的本质原因是因为运动神经传递信号受阻，而植入的脑脊芯片可以专注于运动皮层，这能帮助一些脊髓受伤的人群重新运动起来。

目前马斯克已经针对旗下脑机接口公司的所有项目向美国食品药品监督管理局提交了审核文件，保守估计大概在半年时间内就能进行下一阶段的实验了，而这可能是最让人振奋人心的时刻，因为脑机芯片将会被第一次植入人体，到时候有没有效果，能起到多大效果，实验结果会告诉我们答案。

从人类社会发展的角度来看，马斯克在科技层面上的种种疯狂尝试有可能会促进技术进步，为无数普通人带来福音，比如这里的脑机芯片就有可能帮盲人重新看清世间，帮残疾人重新自由活动，如果成功他将能永垂青史，失败了也没关系，他同样会成为科技发展的探路者之一。当然从纯技术领域来看，他的种种尝试无疑在旁人眼中是非常疯狂的，无论是发展私人火箭，还是创建脑机接口，很多人甚至都觉得这些只是科幻概念，但他却能将其变成现实，这再一次凸显了他偏执的态度和高超的智商。

大脑连上AI，我们就可以“不不灭”吗？

2016年7月，太空探索技术公司（SpaceX）以及特斯拉汽车公司（Tesla）的创办者伊隆?马斯克（Elon Musk）又创办了一家新的高科技企业?神经联结公司（Neuralink），开发可植入的脑机接口，不过这一消息直到2017年3月才为公众所知。

随后两年中，Neuralink几乎从公众的视线中消失，直到2019年中，这家?神秘?的公司才召开了关于脑机接口研究的发布会，并在预印本杂志bioRxiv发表了一篇未经同行评审的论文[1]，引起广泛关注。当时，公司已经募集了约1.58亿美元的资金（其中1亿美元来自马斯克本人），并拥有90名包括神经科学家、神经外科医生、芯片设计师、生物相容性材料学家、脑机接口专家、微制造工程师等各领域专家在内的员工。本文将介绍Neuralink创立的来龙去脉，并谈一谈笔者的看法。

马斯克在今年8月28日的发布会上展示了Neuralink的最新进展。在现场，Neuralink展示了小猪移植脑机接口设备后的状态。

马斯克在企业家中堪称奇人。他创立的公司都有一个科幻式的、非常宏大的终极目标，力图解决人类社会延续发展的某个重大问题；同时又有一个可以着手的近期目标，能够解决眼前问题，进行商业运作，为终极目标做技术上和资金上的准备。例如，SpaceX的长远目标是实现人类移民火星或其他星球，而近期目标则是开发可回收火箭技术，重复使用火箭，从事航天商业活动。

Neuralink采取的也是这种模式。Neuralink的创立缘于马斯克对人工智能飞速发展的忧虑。自2014年以来，马斯克在多种场合反复警告过人工智能的危险性，认为人工智能发展的速度太快，未来可能远超人类。

2014年8月：?我们对人工智能需要加倍小心。它有可能比核弹更危险。?

两个月后：?如果要我推测对我们最大的生存威胁是什么，可能就是人工智能。?

2017年7月：?我一直在敲响警钟，但在看到机器人上街之前，人们不知道该如何反应，因为这听起来太缥缈了。?

2018年4月：?[AI是]一个非常重要的主题。它将以我们现在都无法想象的方式影响我们的生活。?

马斯克还认为，美国政府正在输掉控制人工智能的战争。他说：?监管到位的方式是缓慢而线性的，而我们正面临着指数级的威胁。如果你对指数级威胁只有一种线性的反应，那么指数级威胁非常可能赢。这就是问题之所在。?[3]

在马斯克看来，人因为高智能等才成为星球的主宰。一旦人工智能在这方面超过人类，那么它们就会像今日我们对待宠物那样对待我们。但是，要想完全限制人工智能的发展是做不到的，因此他开出的药方是开发可植入脑的脑机接口，在人工智能全面超越人类之前，让二者融合为一体。

Neuralink的终极目标是打造出 "全脑接口"（whole-brain interface），使脑中几乎所有的神经元都能够与外界顺畅沟通。这种设备将完全融入脑，以至于在感觉上，全脑接口就是 "身体的一部分" 。这种接口能让脑无线连接到云，从而能和计算机、甚至和其他拥有同样接口的脑连接。这样，脑和外界之间的信息交流就会变得轻而易举，感觉就像是在自己头脑中所进行的思考一样。

创建全脑接口的目的是使人得以"与人工智能共生"，成为超人。马斯克认为，到了那个时候，?当人亡时，他已经有了自己的电脑扩展和在线扩展，就像一个在线幽灵?，?你更多存在于?云?里面，而不是在你的身体里面这也就是一些人所说的数字永生。

真要对每个脑神经元都建立起?微观层面的电极-神经元接口?，不仅要考虑到脑中庞大的神经元数量（800亿以上），还要考虑当前的技术极限?仅能在脑内安置几百个电极，每个电极一次最多同时测量大约五百个神经元。这样算下来，要想同时测量800亿个神经元是不可能的。所以，能同时记录的神经元数（马斯克称之为?带宽?）就成了全脑接口的瓶颈。

Neuralink计划遇到的第二个困难是如何把电极植入脑内。目前所有无创记录脑活动的技术，要么空间分辨率方面很差，远远达不到记录单个神经元活动的层次，要么时间分辨率极差，不能实时记录变化迅速的脑活动（图2）。不用说单神经元记录，即使是少量神经元记录，目前的技术都需要带有创伤性的开颅手术，而这只有当病人面临生命危险时才可能接受。但是Neuralink的长远目标是人机融合，这就要求健康人也接受开颅手术。如此一来，安全问题就成了一大障碍。另外，颅内植入手术价格昂贵，而且只有技术高超的神经外科专家才能做，故而难于普及。按照马斯克的设想，这种技术应该和激光矫正近视眼一样方便才行。

脑活动记录主要技术的时间分辨率和空间分辨率。

即使克服了上述两大瓶颈，Neuralink也还面临着其他严重阻碍：脑机之间的交流应该是无线的；植入物需要具有良好的生物相容性，不引起排异反应，而且能在脑内环境长期使用；如何在有限的颅内空间安置大量电极；如何实时处理海量数据并由此获取有用信息。

按照马斯克创办公司的一贯策略，Neuralink的近期目标定位于开发医用可植入的脑机接口，既可以在当前取得实际应用，又能为长期目标做技术准备和筹措资金。

这类装置可以应用在癫痫患者，癫痫发作前给出预警，提醒病人及时服药。或者帮助四肢瘫痪的病人利用脑信号控制机器手或计算机屏幕光标。Neuralink计划在2023年左右将这样的设备推向市场。

马斯克的时间表

2020年底前

把脑机接口植入人脑，首先用在四肢瘫痪的病人身上。

8-10年内

有可能把脑机接口设备植入正常人脑中，虽然这在"很大程度上取决于监管部门的批准时间，以及我们的设备在残疾人身上的工作情况"。

10年内

希望能在健康人之间实现?传心?（telepathy），即都植有脑机接口的两个人可以用脑信号直接沟通。

25年内

有望开发出全脑接口，即一个人所有的神经元都将能和人工智能的载体联结在一起，并把人工智能当做自己脑力活动的扩展。另外，拥有全脑接口的健康人的脑可构成了彼此可以直接交流的巨脑，这样的巨脑会产生出怎样的新现象，我们现在还无法想象。

已有成就

马斯克和Neuralink在2019年8月初发表的论文中，介绍了他们迄今为止所取得的三大主要成就：[1]

1 柔性的多"丝"电极阵列

这种丝非常细而柔软，宽度大概只有4-6?m，内含金电极覆以多聚体绝缘层，每个电极都在丝外伸出一小片以接收信号，这些小片沿丝排列成一串。与目前脑机接口通常所用的电极相比，这种电极非常柔软，能随脑的微小活动而活动，因此对脑造成的损伤较小。同时，与目前一般所用的多电极阵列中的电极数相比，多"丝"电极阵列的电极数提高了一个数量级，每个阵列的96股丝中多达3072个电极。

（a）大脑连上AI，我们可以?不不灭?？

（b）电极?丝?。每个丝中包括32根电极。（a）电极丝外观，电极伸出丝外的小片排成一列，小片中心距离为50 ?m。（b）放大后的电极丝。[1]

2 植入电极的手术机器人

电极丝既细又柔软，而且数量众多，需要在短时间内准确植入脑内，要靠手工植入显然是不可能的。马斯克的团队开发了一种像是把显微镜和缝纫机结合在一起的神经外科手术机器人。该机器人具有自动植入模式，每分钟最多可以植入6根丝（192个电极）。每股丝都能以微米级的精度单独植入脑中，并得以避开表面血管，瞄准特定的脑区。

虽然整个植入过程可以自动进行，但外科医生依然保留了完全的控制权，如果需要，可以在每次植入皮层之前对电极丝的位置进行手动微调。利用该系统，团队在19次手术中取得了87.1?12.6％（平均值?s.d.）的植入成功率。

3 可植入脑机接口的芯片

Neuralink的第三项成就是开发出一种可植入脑机接口的芯片。电极阵列被封装在一个小型的可植入设备中，其中有一块低功耗的定制芯片，可对3072个电极上记录到的信号进行放大和数字化。整个3072个通道封装后只占用不到（23?18.5?2）mm3的体积。一根USB-C电缆就能传送所有通道同时记录到的数据。

马斯克团队已把这套系统安装到大鼠脑中，读取3072个电极的信息，这比目前在人脑中埋置的脑机接口至少要高出一个数量级。后来他们又将类似系统应用到猴子上，实现了猴脑控制计算机。

长期植入大鼠体内的脑机接口装置。[1]

下一个目标

目前已开发成功的原型机传输脑信号时，只能使用安置在动物头上的USB接口，相当不便。因此，下一步目标就是实现无线传输。

Neuralink把拟议中的无线传感器称为?N1传感器?。他们打算植入4个N1传感器，其中3个在运动区，1个在体感区，这样不仅能用脑信号控制外设备，而且还能接受感觉反馈，实现脑与外部设备之间的双向通信。传感器将与安装在耳后的外部设备实现无线连接，可通过手机应用程序进行控制。

公司认为这样能够较快地帮助人类解决一系列医疗问题，并希望在2020年底之前在5名瘫痪患者身上进行测试，观察该技术能否帮助患者用大脑移动鼠标光标并打字。新冠疫情当前，公司向美国食品与药物管理局（FDA, U.S. Food and Drug Administration）申请的许可能否获批尚不得而知。

目前在安置这套系统时，外科医生必须在头骨上钻洞才能植入线头，会给病人带来不适。公司希望将来能使用激光束在头骨上打出一系列微小的孔洞，并能像目前的激光治疗近视手术那样自动、无痛和便捷。

拟议中植入人体的无线脑机接口示意图。[2]

科学界的质疑

尽管Neuralink的已有成就令人印象深刻，但许多科学家对其提出的终极目标深表怀疑。2019年7月，播客《裁决》（Verdict）上发表的一篇文章[5]对马斯克的宏愿提出质疑。文中，人工智能和机器人学名誉教授夏基（Noel Sharkey）认为，马斯克为了跟上人工智能的步伐而对脑横加干涉是可笑的，没有任何研究或证据能支持马斯克所谓的?人工智能将崛起并杀我们?的观点，AI只是一种工具，决定如何使用它的是人。

新南威尔士大学人工智能和数据教授托比?沃尔什（Toby Walsh）认为，人类需要与人工智能融合来获得拯救的观点值得怀疑，我们无法跟计算机比速度和记忆力，但我们拥有的情商和社交能力、创造力和适应能力，就是人类能够一直领先于机器的地方。他还表示，马斯克以不能按时实现承诺而闻名，针对健康人的神经联结或许要等到几十年以后。

2020年5月13日，Facebook人工智能部门负责人、卡耐基梅隆大学计算机科学家佩森蒂（Jerome Pesenti）发布推文，批评马斯克在人工智能方面不知所云，并认为现在还根本不存在人工通用智能这样的事物，人工智能的发展离人类的智能还差得很远。

显然，对马斯克人机融合的思想，人们的看法还存在很大的分歧。究竟孰是孰非，还有待检验。

就SpaceX和Tesla的情况来看，马斯克在创办公司时把近期目标和长远目标结合起来的做法是有启发性和有希望的。

在笔者看来，Neuralink的近期目标也有望为残疾人带来福音，尽管在时间表上未必能如马斯克所设想的那样乐观。但其远期目标从原则上和实际可行性上来说都颇成问题，非常可能成为空中楼阁。

SpaceX和Tesla的远期目标虽然宏大，但基本上是纯粹工程技术性的，都有坚实的理论基础作为后盾。相比之下，Neuralink的远期目标是?建立全脑接口和脑机融合而我们对人脑的认识还非常肤浅，至今都还没有任何有关脑功能机制的理论框架，可预见的未来也难以发现。因此，Neuralink的远期目标并非是纯粹的工程技术问题，也牵涉到科学问题。而科学上的关键问题往往难以完全凭借大量的人力、物力投入就能按计划实现，有时也要靠机遇和运气，靠天才的灵光一闪。

Neuralink远期目标的问题究竟在哪里？

首先，脑中有860亿个神经元，要想同时测量如此巨量神经元的活动，目前看来还没有实现的可能。

退而求其次，Neuralink 团队把长远目标定为同时记录一百万个神经元（笔者不知道这个数字是怎么估计出来的，就其抽样比例来说，相当于称如果对8万个人作调查，就掌握了全世界人的情况，这个预设令人怀疑。）虽然?史蒂文森定律?表明，迄今为止我们能够同时记录的神经元数量似乎每过7.4年就会翻一倍。[4]但这是一条经验定律，是否能永远灵验大成问题，即使一直保持这个速度，也要到本世纪末才能达到一百万的数目，到 2225 年才能记录大脑中每一个神经元。不过，任何按指数规律增长的过程，到了某个时候必然因其他因素的制约而显著放缓，甚至变平坦。

此外，由于颅内容积有限，即使是用比电极丝更细的电极，要在颅内植入860亿根电极也是不可能的。当然全脑接口的支持者也可以争辩说，将来也可能发展出完全不同的新型电极，例如利用2011年左右发展起来的神经尘（neural dust）技术，神经尘是一种一百微米大小的硅传感器，可以撒进大脑皮层，利用附近软脑膜上方一个三毫米大小的设备通过超声波与神经尘进行沟通。但是神经尘本身已经和大的神经元体积相当，所以要在脑中撒进等量的神经尘依旧不大可能。也有人提出可以采用光遗传学或者使用碳纳米管之类的新方法，但到目前为止都还只是一些设想。

即使实现了同时记录所有神经元的电活动，如何处理这样超海量的数据也是个大问题，并且光记录神经元的电信号也未必能反映脑的全貌。因为脑本质上是一种电-化学机器，除了电活动之外，像神经递质、神经调质之类的化学物质在脑活动中也极其重要，而全脑接口完全没有考虑这些因素。另一个被忽略的因素是，脑中比神经元数更多的神经胶质细胞的作用尚不明确。关于这些问题以及所谓的?心智上传?和?数字永生?都只是一种迷思，笔者在和卡尔?施拉根霍夫博士的讨论中对此已有详细的分析[6]，此处不再赘述。

全脑接口的支持者争辩说：?未来总会有一些过去的人难以相信的普适技术出现?人总是低估人类的群体力量。?此话虽有一定道理，但我们不能把可能性绝对化成必然性。尽管人的群体智慧无与伦比，技术的发展也常常出乎一般人的预料，但是这并不等于说无论什么样的设想一定都能实现，特别是在有限的时间内实现。

笔者观察到一个有趣的现象，那就是在关于揭开脑的奥秘方面，神经科学家往往非常谨慎，而技术专家则往往心雄万夫、气冲斗牛。这可能是技术专家对脑不够了解的缘故，?无知者无畏?。其实，马斯克本人也说过：?没有对技术的充分理解，我认为很难做出正确的决策。?[4]他也承认自己是团队中对神经科学了解最少的人，那么由他来对整个项目作出决策是否正确呢？

在Neuralink创办之初，知名科技博客Wait But Why的博主厄本（Tim Urban）受马斯克的邀请，到该公司做过长时间的访问，并与其创始团队的大部分人进行了深入交谈。据此经历，厄本撰写了一篇长文。[4]

他在博文中说道：?AI 会自行运行，因为与人的对话太慢了。通信的速度越快，你与 AI 的结合度就越高?通信的速度越慢，结合度就越低。我们与 AI 的结合越差?AI 越独立?它背叛我们的可能性就越高。如果 AI 完全独立，并且拥有远远高于我们的智能，你如何保证它们的最优化功能不会与人类的利益相背？?如果我们实现了与 AI 紧密共生，AI 就不会独立出来?它会成为你，并且与你大脑皮层的关系会类似于大脑皮层和边缘系统的关系。?为了最小化来自 AI 的生存威胁，他（马斯克）的策略本质上是让 AI 力量变得?民有、民治、民享?。?

以上也许总结了马斯克创办Neuralink的核心思想，不过在笔者看来，这些话本身并不成立。首先，人工智能并不是一个主体，它并没有主观性或自我观，既没有意识，更没有意志。而这些到目前为止，这些特质都还只是脑所独有。然而，脑为什么会具有这些特质，科学家现在还毫无所知，更谈不上让人造物具备这些特质。所以在可预见的未来，人工智能只能是一种工具，其为善或为恶都只取决于使用它的人。笔者同意一些人工智能专家的观点，根本不应该发展有自我意识的人工智能，何况根本还谈不上存在发展的可能性。

退一万步讲，即使人工智能有了自我和意志，马斯克开的药方也解决不了问题。他一厢情愿地认为，只要人和人工智能融合起来，人工智能再强大也是人的一部分，受到人的控制。实际上，如果两者联合，一强一弱，极有可能是强者占主导地位。马斯克既然担心人工智能超过人类，那么两者融合的结果未必不能是人工智能成为联合体的灵魂，人则成了傀儡，成了人工智能的工具。其他没有和人工智能融合的人，则沦为这种联合体的奴隶或宠物，这种命运与成为人的奴隶并没有多大区别。至于马斯克说到，只要让所有人都和人工智能融合就可以就可以避免这种危险，也纯粹是痴人说梦。同一时间实现所有人的人工智能融合是不可能的。考虑到一开始时植入全脑接口必定价格昂贵，必定是少数像马斯克这样的富人才能负担，这样催生出的优势集团将有能力统治芸芸众生，这种前景和马斯克所恐惧的人工智能专制同样可怕。

笔者认为，在可预见的将来并不存在马斯克所描述的危险，他开的药方对一般人也不解决任何问题。至于在这个问题上，马斯克究竟是拯救人类的先知，还是又一个危言耸听的炼金术士，请读者自己判断吧！

人类在未来若想实现电脑和大脑的相连，都需要哪些技术？

将大脑与电脑连接起来，听起来像是科幻小说里的情节，可是对于科学家来说，这种设想却正在渐渐成为现实，在不久的未来，“脑机接口”的设想将带来许多实用的人体修复技术……

电脑视频游戏让人入迷，即使对于一只恒河猴来说也是如此，6岁的贾斯帕就是这样一只沉迷于电脑游戏的恒河猴。在华盛顿大学实验室的电脑屏幕前，贾斯帕全神贯注地在电脑屏幕前坐了将近一个小时，它的目光一直盯着一个红色的小球。生性好动的猴子为何会表现得如此安静呢?因为它正在进行着某种有趣的训练：用大脑意识控制电脑屏幕上的移动目标，也就是那个红色的小球。

贾斯帕不是唯一能用大脑意识来控制物体的猴子。在美国匹兹堡大学，一对短尾猴用大脑意识操纵着人臂抢吃棉花糖，在不借助于任何肌肉力量的情况下，操纵假臂扭转门把。在另一次实验中，身处美国北卡罗来纳州的一只猴子将它的大脑意识跨越半个地球，不可思议地传送到了日本的一个机器人身上，并让它动了起来。

用精神意念来控制物体，曾经是科幻小说里的情节，如今科学家却正在认真地进行这方面的尝试。在一系列的临床试验中。科学家们正在研究一种叫做“脑机接口”的意念控制技术。科学家们要实现一个雄心勃勃但完全有可能达到的目标：为一些大脑或脊髓受损而失去肌肉活动能力的患者恢复独立的行动能力。通过一些成功的实验，人类已朝着实现这个目标迈出了重要的一步。

在接下来的几年时间里，科学家将尝试让瘫痪病人学习操纵虚拟手和机械臂，来进行如伸手取物。推动物体、吃喝走动等日常活动。随着实验的进展情况，研究人员还希望能训练患者完成比这些更为复杂的动作。

“最终。我们甚至可以取得更大的成就，病人可以用大脑意识控制来完成一些日常生活中更为复杂的动作，如：拉动拉链，扣上钮扣，绑系鞋带之类。”美国匹兹堡大学的神经生物学家安德鲁·施瓦茨说道。

科学家已经了解到，在身体完成某种动作之前，大脑神经元向它们发出了某种微小的脑电波信号。这是实现这一目标的关键所在。在过去的20年里，科学家们已经找到了大脑如何控制动作的关键方法，他们将芯片植入大脑，利用微型电极来接收大脑的脑电波信号，并弄清楚这些信号与具体动作之间的关系。这些用来命令人体肢体运动的信号，经由电脑编程处理之后，也可以用来控制电脑光标或机械臂。

目前，脑机接口技术已经可以用来完成一些简单的大脑控制任务，如，用大脑意识控制在电脑屏幕上拼写单词、打开电视或打开电子邮件等。甚至，患者还能用自己的大脑意识控制机器人手臂或虚拟手臂做一些基本的动作。

但目前能够完成这些任务所需的设备十分笨重且过于繁琐，操作起来也很复杂，在没有人协助的情况下很难得到实际应用；而目前的脑机接口设备，其适应过程通常也十分缓慢，需要经过长时间的训练。研究人员准备对“脑机接口”进行更多的研究测试，让大脑意识可以更好地控制外部设备，如：通过对单个神经元信号发射的控制，研究人员试图让大脑控制的动作更为精确。随着实验的进展，一些研究人员甚至考虑如何将外部信号反馈到大脑里。

意念控制行动梦想成真

开发可以由人的大脑意识控制的机器，这一想法始于20世纪60年代，当时科学家首次将电极插入猴子的大脑，记录其大脑神经的活动。令研究人员吃惊的是，他们发现猴子在开始动作之前，大脑控制运动区域的一些细胞就开始活跃起来，科学家后来发现，这些大脑区域的活跃，实际上是大脑对运动的事先规划。

对于一些脊柱受损的患者来说，他们已经无法向肢体传达大脑信号，但他们的大脑中仍然会产生必要的规划信号，正是这些信号让研究人员看到了让瘫痪病人活动起来的希望。他们的目标是捕获这些信号，破译这些信号，然后通过脑机接口技术，利用这些大脑信号来控制行动。

大多数脑机接口技术是从运动皮层的一些专门化的神经元收集信号，那里是运动的发起地和执行地。通过将如发丝般细的电极阵列直接植入大脑中，科学家可以记录下清晰而强烈的大脑脑电波信号。但这种方法也有缺点，它需要通过手术将电极植入大脑深处，有可能带来感染风险和免疫反应，并有可能导致电极周围产生疤痕，从而降低信号强度。但该技术是从单个神经元得到清晰信号的唯一途径，因此一些科学家相信这是一条成功之路。

到目前为止，在美国已有五位患者的大脑中植入了电极阵列，这几位患者是一种被称为“脑之门”(BrainGate)设备的临床实验调查项目的组成部分，“脑之门”由美国著名脑机接口设备供应公司CYKN公司开发，这家公司由布朗大学神经科学家约翰·多诺霍共同创办。植入的电极阵列通过微型导线将神经元信号发送到从患者的头皮伸出的一个小型基架上，在实验室测试中，基架可通过电缆与电脑相接，对大脑信号进行解码，转换成有意义的信息。

一位脑干中风后颈部不能动也不能说话的女病人，使用了实验室植入的电极阵列已达5年之久。在最近的《神经工程学》杂志上。多诺霍和他的研究团队介绍道，这种脑机接口设备在使用3年之后。其效果仍然很好，信号几乎没有出现任何衰减。

“如果她在日常生活中使用这种脑机接口系统，在一定程度上是非常可靠的。”多诺霍说。

尽管如此，研究人员还在努力让脑机接口设备做更多的事情。BrainGate的机器人手臂可以伸出去抓住物体，但它还不具备正常手臂的实际可操作性。一个人的手臂可利用几十块互相独立的肌肉进行上下左右的移动，来控制肩、肘、前臂和手腕的位置，而手掌也需要许多独立的肌肉运动，或“自由度”，来做出捏、抓、抱和挤压等动作。

在匹兹堡大学，施瓦茨正在对一些实验对象进行大脑意识控制机械臂的17自由度实验，让机械手臂做出涉及肩部、肘部和手腕部运动的动作，还拥有将手掌弯曲起来拿起咖啡杯，或拿起如铅笔等小物件的能力。

“我们已经开始尝试让机械手臂做一些灵巧的任务，这是以前从未尝试过的事情。”在今年二月召开的美国科技进步协会的年会上，施瓦茨说，目前实验猴已在使用这种遥控手臂。

为了让大脑信号指挥机械臂做更灵巧的事情，施瓦茨的研究小组将记录神经元活动的数目增加到“脑之门”研究中神经元发射数目的2倍，植入病人大脑的电极阵列将包含100个微电极，可同时记录下200个神经元的信号。科学家们希望，有一天能够通过无线设备获取患者大脑的信号来控制假肢。而无需电线或电缆为媒介。斯坦福大学的工程师克里希纳·谢诺伊说，这种无线系统除了对瘫痪患者，还可对裁肢者提供极大的帮助。

谢诺伊和他的同事己初步建立起这种无线传输系统，可将单个神经元信号传送到附近的接收器，并使用这种设备监测在笼子里走动、或在跑步机上行走的猴子的大脑活动。谢诺伊

说，这一技术如何在人类身上应用，还需进一步的研究探索。目前科学家们知道如何从瘫痪患者的大脑中提取所需的大脑信号，但还没有办法从截肢者大脑中获得所需的特殊信号。

“窃听”大脑信号让瘫痪患者行动更自如

近年来，研究人员在研究不将任何异物植入大脑组织的情况下获取大脑中脑电信号的途径。

华盛顿大学圣路易斯分校的丹尼尔·莫兰是研究以这种方式“窃听”大脑信号的科学家之一。这种方法建立在脑皮层电图的基础之上。脑皮层电图是医生用来检测大脑皮层脑电活动的方法。这种方法仍需要在头皮上切口，并移除部分头骨，然后外科医生将电极格栅直接安放在脑硬脊膜上。

在这个头骨下约两公分的位置上，电极无法记录单一神经元的发射活动，但可以获得神经元群的脑电活动。每个神经元群大约由数干同步活动的神经元组成，神经元群同步放电形成局部场电位，可告诉我们大脑在做些什么，或想做些什么。

通过一定的训练，神经元群可以调整到以某种信号代表某个具体的动作。例如，患者一边想着摆动手指，一边想着让光标在屏幕上向某个特定的方向移动，在大脑渐渐适应后，患者就不用再想象摆动手指了，他们只要简单地想着“光标向右”，已经与手指建立起某种联系的神经元群就会自动发出让光标按大脑意图移动的信号。

莫兰于2014年在对一些癫痫病患者监测的过程中，首次提取了运动皮层的信号。医生必须用脑皮层电图来观察癫痫病人大脑中哪些区域导致癫痫发作，在将各种传感器与计算机相连接起来之后，科学家们就可以接收到这些信号，并教病人如何使用大脑脑波信号来移动光标和玩电脑游戏。

在这些早期实验中，莫兰的研究小组找到了如何安排电极格栅之间的空间，以获得最优化的运动神经元信号，更精确地控制运动。莫兰与威斯康星大学麦迪逊分校的贾斯汀·威廉姆斯合作建立起了与大脑感觉运动皮层相适配的微型电极阵列。感觉运动皮层区是大脑负责运动与外界刺激的部分。贾斯帕是奠兰实验室里的三只猴子之一，如今它用新研发的电极阵列在电脑上玩视频游戏，在身体肌肉纹丝不动的情况下，在电脑屏幕上抓取各种虚拟物体。

研究人员准备进一步观察脑机接口设备在人类患者身上的效果。美国匹兹堡大学的研究人员将用一种极薄的柔性电极格栅植入瘫痪病人的头骨下面，然后训练病人以精神控制来操纵电脑屏幕上光标的移动。在未来三年时间里，脑机接口设备将得到进一步的改进，将来病人能够用大脑意识控制来完成更加复杂的任务，以及控制简单的机器人手臂。奠兰说，他的目标是开发一种可使用多年的植入装置，比如说10年，如此才具有临床手术上的实用意义。他说：“我们需要的是一种有效率达95％至99％的植入装置，并能持续使用10年。”

一些科学家对脑皮层电图是否能提供足以控制精细动作的信号持怀疑态度，比如说在锁眼中转动钥匙的动作等，但还有一些科学家正孜孜不倦地在进行这方面的探索研究，以期从脑波信号中获取更详细的信息。去年，约翰霍普金斯大学的生物医学工程师索米雅迪塔·阿查里雅和他的研究团队破解了单个手指弯曲和伸展运动的脑电波信号，这项研究结果发表在2010年8月的《神经工程学》杂志上。阿查里雅说，这表明经改进的脑皮层电图，或许可提供操纵开关或转动门把手等灵巧动作的大脑信号。

展望未来脑机接口技术前景看好

如果瘫痪患者能够学会使用机械臂来拿起早晨的一杯咖啡，那么接下来的问题就是，他们能否很好地控制“握住”杯子的力道呢?机械臂用的劲如果大一些，泡沫塑料的杯子可能会碎裂，杯子中的咖啡就会流光。

“对于假肢技术来说，其灵活性越好，对传感功能的要求也就更高，使用者才能对拿取的东西有更真实的感觉，”谢诺伊说。

要掌握好力道的大小，就要让患者产生较为真实的感官感觉，脑机接口技术需要拥有一种反馈系统，即将从外部获得的感官信号反馈到患者大脑中。一些研究者已经在进行将电流信号反馈到大脑中的初步尝试，但谢诺伊说道，这种方法的问题是，发送到大脑中的电流信号会同时激活许多细胞，而不仅仅是目标细胞。

谢诺伊说：“将脑波电流信号反馈到大脑中，就像进入一个有着众多学生的教室，教室里的每个学生都代表了一个不同的神经元，如果你想对其中一个学生说话，你就得大声喊叫才行，”谢诺伊与斯坦福大学的卡尔·迪赛罗斯一起，用光遗传学技术将感光蛋白质注入猴子的目标神经元，当假肢末端的传感器与咖啡杯接触时，发出的信号就会使这些神经元的光源亮起来，许多神经元都会沐浴在这片光亮中，但只有那些做了标记的神经元才会做出回应。信息能够反馈回大脑来是一个大好消息，谢诺伊说道，因为它提供了与特定神经元“对话”的一种途径。

在寻求将信号反馈回大脑的方法中，谢诺伊的研究小组不是唯一做出这种努力的。杜克大学神经生物学家米格尔·尼古莱利斯正在寻求某种方法，将电脑屏幕上物体纹理的感觉传回到大脑中对感官信息进行处理的部分，这种技术将使患者在用大脑意识控制假肢时，产生更为真实的触感等感官感觉。

尼古莱利斯的实验室创造了一种像衣服一样的机器人“外骨骼”，穿上它，失去行动能力的瘫痪病人就能再次自由活动。而如果能将触觉等感官信息反馈回大脑，穿上这种“外骨骼衣服”的患者在走路时就能真切地感觉到坚实的地面，产生一种很真实的脚踏实地的感觉。恢复活动能力的患者很需要这种感官上的感觉。

奠兰说，随着脑机接口技术变得越来越安全，设备越来越袖珍化，有一天它会像贴在你耳边的无线通信设备“蓝牙”一样普通，届时，即使是非残障人士也会迷上这种脑机接口技术，用大脑意识的力量去控制电脑、iPad或其他通讯和娱乐设备。目前，一家日本公司设计了一种“猫耳”，声称根据头皮表面反馈来的大脑信息可读取一个人的情绪。

此外，家用器具有可能将成为脑机接口技术的下一个发展目标。“脑机接口技术发展到某个程度，当你走进屋子里准备开灯时，甚至不用动手去按开关，”莫兰说，“你所要做的就是在脑子里想着‘开灯’，然后灯就亮了。”

脑机接口技术的未来前景令人懂憬。幻想变现实，梦想能成真，“心想事成”不再是幻想，也不再是梦想。