人腦和機器是否能實現直接通訊？

根據世界衛生組織報告，截止目前全球殘疾人數量已超過10億，僅中國就有超過8500萬，這樣一個龐大群體的生存質量亟待改善。對於具有肢體殘疾和感知障礙的人群來說，傳統的人工耳蝸已經造福了大量聽障患者，尤其是兒童。進一步實現人腦和機器的互聯互通可以部分甚至完全恢復其運動、感知、語言功能，必將極大地便利其生活，這是一項關係億萬人福祉、具有重要現實意義的技術革命。

腦機介面是實現人腦和機器直接通訊的橋樑，透過腦機介面技術可以直接提取神經訊號，完成對人的行為意向的分析，並藉助光、電、磁、聲等調控技術反向干預腦活動，主要依靠多位點高通量腦資訊獲取、實時神經訊號解碼、腦機融合智慧裝置、腦幹預等多項關鍵技術來實現。

腦機介面的現狀與進展

當前腦機介面技術的發展，已經初步實現了人腦與機器的雙向通訊。

我們已經知道書寫、說話、肢體動作等諸多功能都由腦中的運動皮層控制。將記錄電極鋪在人的感覺運動皮層上，讀取運動皮層中與書寫動作相關的運動想象訊號，可以合成手寫字跡，最高速度是每分鐘“寫”90個字元；讀取運動皮層中有關發聲控制的訊號，可以逆向重構出說話的內容。有失語患者使用這項技術，每分鐘可以“說”15。2個字。讀取運動皮層的其它運動控制訊號，還可以實現控制外部的機械手完成抓取任務。有意思的是，透過讀取鳥的運動腦區相關訊號，科學家還逆向合成了鳥的叫聲。也許在不久的將來，我們也能透過“腦機介面翻譯器”，和寵物自由對話。

腦訊號不僅可以讀取，還可以寫入。對感覺相關的皮層進行微弱的電刺激，可以輸入簡單的感覺訊號。雖然這種由人工誘發的感覺與真實的感覺有出入，但對於提高輸出效果卻有極大的作用。這種對感覺皮層的刺激，可以讓被試感受到虛擬的物體。有的殘疾人安裝了智慧假肢，能夠用大腦訊號來控制假肢的運動來抓取物體，由於假肢無法感受到物體，因此一般都是完全依賴視覺完成動作。最近，有研究透過對感覺皮層進行電刺激，讓“假肢”有了觸覺，將抓取和轉移物體所花費的時間縮短了一半。這種虛擬觸覺的建立，將使智慧假肢變得更加好用。透過動態電刺激視皮層，美國匹茲堡大學向大腦“寫入”了字元，最快每分鐘可以“寫入”86個字元。

腦具有很強的可塑性。人們即使在控制自身的肢體時，腦活動的模式也會經常變化。比如，同樣是奔跑，在躲避危險和嬉戲玩耍的時候相比，大腦活動模式會有巨大的差異；即使是完成同一個動作，一個月前後的腦活動也會差異巨大。這種腦活動複雜的波動性為腦機介面相關的演算法提供了挑戰，當前標準的做法是經常行的重置演算法，導致腦機介面使用者每天的第一件事就是要花費不少時間習慣控制外部裝置。問題總是可以被解決的，有研究透過引入新的智慧演算法，讓演算法自動更新以匹配使用者的腦活動，而不用每天重新設定它，最後能夠實現長達40天的穩定執行。但在另一方面，腦的高度可塑性也為使用者學習控制外部裝置提供了便利。例如，人腦能夠很快適應外接的第六根手指，從而完成更多複雜的任務。猴子可以透過訓練很快學會自主控制自己腦中神經元的放電。

挑戰與應對

雖然腦機介面技術已經取得了令人矚目的成就，但受限於我們對腦的理解，當前離人腦和機器自由通訊還有很長的路要走，比如互動速度和穩定性有待提高，本體感覺反饋建立等。當前的腦機互動通訊還僅限於初級感覺運動皮層，而初級皮層僅僅處於感覺資訊加工處理的初級階段。基於初級皮層的腦機互動速度是否有天然的上限？如果我們從更高階的皮層讀取訊號，利用腦特有的預測和反饋功能，極有可能會大大加快腦機互動的速度。如果基於高階的聯合皮層設計互動介面，是否可以真正實現意識的交流？

腦機介面技術的進展，另一方面也受限於相關器件的技術水平。例如傳統的硬質電極很容易引發腦內炎症反應，最終影響記錄訊號的穩定性。人腦的神經元數量有上千億之巨，如何採集大量的神經元訊號，對採集工具包括感測器、晶片技術都提出了重大的挑戰。

人們使用的電極也經歷了很多不同的時期，每個時期都有相關的重要代表技術。從上世紀六十年代的玻璃電極、七十年代的金屬微絲電極、八十年代的矽電極和多通道矽電極陣列到現在的奈米柔性電極陣列，除了材料變化外，電極通道的密度也在不斷在提高。以Neuropixels電極為例，短短几年間，單根電極的通道數目已從不到1000個上升到5000個。按照這樣的發展速度，上萬甚至百萬通道的神經介面也許很快產生。伴隨著當前晶片技術、無線通訊技術的發展，除了高通量的神經介面，有很多種類的精準、小型化、高度整合化、生物相容性強的腦機介面器件也在不斷被設計出來。例如，埃隆·馬斯克花重金投資的 Neurolink 公司已經設計出同時採集上千個通道訊號的植入式腦機介面裝置，並且在成功的實現了實時解碼獼猴的運動意圖，並讓其透過腦機互動玩彈球遊戲。

基於腦機介面技術在腦疾病和個體強化相關領域的應用前景，世界主要經濟體都投入大量資金進行相關技術的研發，同時更多跨學科人才和社會資本也開始加入，這將大大加快腦機介面技術的進步。當前腦機介面技術最具有突破性的研究進展也主要是在最近2-3年實現的。雖然未來難以預測，但考慮到各方力量的投入和技術的加速發展趨勢，也許在不久的將來，我們很快就會看到人腦與機器的心靈交流以及隨之而來對個人和社會形態的巨大改變。

變革與未來

科幻電影經常設想腦機介面和人工智慧帶來人個體能力的快速擴張。但最大的影響可能不在個體，而在於人類群體。

腦機快速互動，從某種意義上來說，等效於快速的擴張了我們的腦容量，或者說是讓人腦產生了第三新皮層。人類第一次因為基因突變而導致腦容量導致了第一次認知革命，形成大規模的群體合作，進而席捲全球，淘汰了其它人種。那麼腦機介面技術導致的等效腦容量擴大，是否會產生一種現代人完全無法理解的高階人，從而在認知上產生一種完全不同的物種？率先掌握這種技術的群體是否會像我們的智人祖先一樣淘汰其他人類群體？

人腦與機器的高速互聯，很自然可以推論出人腦之間的互聯，就像阿凡達電影裡的人與人之間的“心靈溝通”一樣。這樣或許就會誕生一個“群體腦”。彼時彼刻，“我”還是“一個”人嗎？ 群體和個體的界限在哪裡？我們最終會變成思維透明的“三體人”嗎？

加上腦機高速互聯，才是徹底的萬物互聯。這也許就是人類走向星辰大海的必經之路。

（尹家鵬，丁詩涵，馬碩，劉傑，程志仙 亦對本文有貢獻）

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