如题，这应该是很多人的梦想，尤其是对在南方目睹蟑螂扑面飞来的同学而言。

(资料图片)

南方人的一种早教游戏（大误） 动图来源：网络

实际上，已经有南方的高校探索了实现这一梦想的可行性——2015年上海交通大学一名硕士生便利用人类的大脑意念遥控活体蟑螂，让蟑螂走出了S形轨迹和Z形轨迹。而成功让蟑螂“听话”的奥秘，便是脑机接口技术的应用。

那么，脑机接口技术究竟是啥？这么多年过去了，脑机接口技术发展得如何？

脑机接口技术的流行，还得归功于姓马的

脑机接口是一种备受瞩目的新兴科技，它可以通过记录大脑神经活动，直接控制外部电脑或者机器运行。 这种科技解决了人脑需要通过肢体运动才能输出信号控制外部器械的问题，在人脑和外界设备之间建立起直接通信的桥梁。

脑机接口工作原理图 图片来源：参考文献1

自2010年开始，脑机接口技术的研发如火如荼，这项技术也逐渐走出实验室，进入市场推广阶段，许多相关公司也相继成立。其中，最知名的包括Neuralink、BrainGate、Synchron等，它们都在试图将脑机接口技术推入市场。 得益于Neurallink的创始人埃隆·马斯克的推广，现在越来越多人也都对这项技术产生了浓烈的兴趣。

埃隆马斯克正在介绍Neuralink的脑机接口设备 图片来源：Wikipedia

脑机接口研究的三大方向

与我们期待的“驱逐蟑螂”愿望不同， 脑机接口技术最初的目的是要帮助残障人士恢复生活自理能力，临床应用是它最重要的发展方向。 例如，2012年，匹兹堡大学的研究人员就通过在瘫痪患者的大脑运动皮层上植入电极，使他们能用脑电波直接控制机械臂完成进食、移动物体等特定动作。

到了2019年，加州大学旧金山分校的神经外科爱德华·张（Edward Chang）教授首次通过脑机接口的技术，将癫痫患者脑活动转换成文本信息。

2021年，斯坦福大学开发出一种可以打字的脑机接口技术，这一技术可以让瘫痪患者以每分钟90个字符的速度进行打字交流。 在可预见的未来，脑机接口技术在临床应用方面将大放异彩。

利用脑机接口输入文本信息的示意图 图片来源：参考文献2

此外，脑机接口记录方式的优化也是一个热门研究领域。因为目前为止， 脑机接口仍处于研发优化阶段，其临床应用极其有限，更多的研究集中在改进其记录方式上。 例如，2019年埃隆·马斯克宣布Neuralink公司在高速记录神经元活动方面取得长足进展。他们利用一台神经手术机器人，可以向脑中植入数十根直径只有四五微米的“细线”，然后通过USB-C接口读取大脑信号。

2023年，南开大学段峰实验室也在试验猴身上完成了介入式脑机接口的手术。 他们通过微创手术在血管内插入记录脑电信号的设备，减少了脑机接口在电极埋置时对大脑带来的损伤。

试验通过介入式脑机接口实现动物主动控制机械臂（图片来源：南开大学）

除此之外，利用脑机接口控制各种仪器也是目前探索的一个领域。 例如，2017年国防科技大学认知科学团队通过脑机接口实现“脑控汽车”，他们通过采集脑电波，可以控制汽车加减速或者过弯。2018年BrainGate公司实现了“意念操控电脑”——三名瘫痪病人可以利用脑机接口芯片玩平板电脑和操作多款应用程序。

目前为止， 临床应用、记录方法的改进和新应用探索，这三者是脑机接口研究的主要方向。 但由于这种技术刚刚迈出从科研到实际应用的第一步，其成熟的技术和产品并不多。不过，这些年随着人工智能技术和新型材料的应用，脑机接口技术将会迎来更快的发展和应用。

大规模应用脑机接口技术，没那么简单

经过了这么多年的发展，脑机接口技术现在仍然没有走向大规模应用，这是因为脑机接口技术存在着比较大的难点。

众所周知，大脑是由神经元组成的，而神经元之间通过电信号传递信息。 要想对大脑进行解读，第一步就是要记录大脑的神经活动。在记录大脑神经活动时，几乎处处都会遇到困难。

首先是在记录方式上存在困难。 现有的脑机接口按照记录方式可分为侵入式、非侵入式和介入式三大类 ，根据记录的信号又可分为EEG（Electroencephalogram，脑电波）、ECoG（Electrocorticography，脑皮层电图）、LFP（Local field potential，局部脑电位）、ERP（Event-related potential，事件相关位）、Spikes（尖峰电位）等不同的记录精度。

对大脑的记录就像是调查研究，需要通过对某些神经元或者脑区的记录，得到它们想要发出的信息。但是，我们是无法精确到每一个神经元的—— 大脑中存在数以百亿计的神经元，对每个神经元的活动都进行记录是不可能的事情。 而如果只是记录一个脑区的一群神经元的声音，这就有点像站在交易市场外听里面人们交易的声音，从嘈杂的声音中找到有效的信息也是一个难点。此外， 还要考虑到记录大脑信息时不能破坏大脑，不能引起被记录者的不适等要求 ，因此，完成大脑信息记录的工作实在是难上加难。

人类的大脑是一个及其复杂的结构，包含数以百亿计的神经元，并且分为不同的区域，要区分它们并精确识别出特定的信息非常困难 图片来源：Wikipedia

其次，在信息处理方面也存在困难。 即使我们用最先进的方法记录下大量神经信号，如何处理这些数据？又如何理解这些信号所代表的实际指令？这将是一个极为复杂的工作，犹如编写一本浩瀚的天书。

在实验室里，我们仅用1024个通道记录视网膜的信号，一个小时的数据量就可以达到1TB，想象一下， 要记录一个人完成半小时运动任务所需的数据量，即使现在的大数据和云计算技术也难以处理。 有了这些海量数据，我们该如何分析？如何去除无关信息？如何对信息进行分类？如何根据不同信息赋予权重？这些问题都制约着脑机接口技术的发展。

最后，在脑机接口的硬件研发上也存在着困难。 在硬件方面，制作出能够精准、大规模、快速、稳定记录脑内电信号，同时还要具有轻便、创伤小等特点的电极就是一个难题。这些年，科研人员尝试了柔性电极、高密度电极、超声记录、核磁共振记录等不同的方式，但是很难找到一个满足上述要求的记录方法。

除了电极，对脑电信息进行数据处理的专业芯片也是研发的难点。它不仅需要适合植入生物组织，还要做到轻便小巧、散热少、功率低。这样才能保证在今后脑机接口技术得到广泛应用时，每个人的头上不必装一个“大哥大”式的设备！

Braingate的脑机接口设备模型，这种设备显然还是过于巨大了 图片来源：Wikipedia

不过，在解决上述的技术性难题之前，还有一个更基础性的难题——对大脑运行机制的基础研究。要是基础脑科学研究没有取得根本性的突破，脑机接口技术的发展也将会大大受限。这些研究中，重点又包括神经元如何传递信息、各脑区之间的神经元如何联系、不同脑区与不同活动的关系是什么等。如果不能较好地解决这些问题，脑科学和脑机接口技术的发展仍将受限。

刺激大脑、实时交互：脑机接口技术未来的发展方向

即使是存在着诸多困难，但随着其他领域的发展和基础科研的不断深入，脑机接口技术也必然得到不断优化。

在未来，通过脑机接口不仅可以记录大脑的信号，还能对大脑进行刺激。人工耳蜗、视网膜刺激芯片等技术，就是利用了反向的脑机接口来治疗某些感官缺失的患者。此外， 闭环深部脑刺激等技术也将极大的改善帕金森病人的生活质量。

另一个发展方向是实现大脑和外界设备的实时交互。 通过脑机接口，瘫痪病人可以再次站立和行走，但如果失去行走时脚和腿的反馈，患者仍会感到不舒服。因此，带有生物传感器并能反馈运动信号的脑机接口，将是未来的一个重要发展方向。或许，用意念让蟑螂离我们远点，将成为触手可及的现实，大规模应用的脑机接口技术，也将真正推动日常生活的变革。

参考文献：

[1] Jamil N, Belkacem A N, Ouhbi S, et al. Noninvasive electroencephalography equipment for assistive, adaptive, and rehabilitative brain–computer interfaces: a systematic literature review[J]. Sensors, 2021, 21(14): 4754.

[2]Vansteensel M J, Pels E G M, Bleichner M G, et al. Fully implanted brain–computer interface in a locked-in patient with ALS[J]. New England Journal of Medicine, 2016, 375(21): 2060-2066.

作者：王飞

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