本文主要是介绍脑机接口：是现代医学的外挂，更是瘫痪病人的豪赌，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
5 月 17 日，马斯克公开表示，继今年年初首次成功将大脑芯片植入患者大脑后，Neuralink 正在寻找第二位受试者接受这项手术。
5 月 20 日，美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准了马斯克的 Neuralink 公司为第二位患者植入脑芯片，但批准信中表示：Neuralink 需要解决首位受试者出现的脑机接口植入物故障问题。
FDA 提到的「故障问题」，是指首位患者的大脑植入物芯片中，只有约 15% 的电极丝在正常工作，85% 的线都出现了移位，许多无法接收到信号的线程已被关闭。 尽管 Neuralink 在今年 3 月份才公布，这位 8 年前因潜水事故导致四肢瘫痪的男子，接受脑机接口手术不到两个月的时间，已能通过意念操控鼠标，在线下象棋和玩游戏。
Neuralink 首位患者通过脑机设备使用电脑下象棋
事实上，脑机接口的安全性一直存在很大争议， 大脑作为人体最重要且最脆弱的器官，其精密和复杂程度难以解析，在大脑上动手术，一举一动都得斟酌再斟酌。
从另一角度来说，只需在脑后插入一根线缆，人们就能通过「意念」改变「现实」：失聪者能够「听到声音」；瘫痪患者可指挥机械手臂；失语者可以「开口说话」……这种疗法为医疗行业打开了新想象，也为相关患者送来了新曙光。尽管目前看来脑机接口离完全成熟落地和大规模人体实验还有较远的距离，但在技术生产力的不断加持下，其早已悄悄生根发芽，展露出强大的生命力和可增长空间。
脑机接口技术开启人机交互新时代
人的感知、思维、语言以及运动能力，都是通过大脑对身体器官和肌肉群的有效控制来实现的。而脑机接口技术是在人或动物的脑部与外部设备间，创建一个可用于信息交换的连接通路， 它可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官，进而实现人类对外部环境的控制。
佩戴脑电图帽的车辆指挥官与模拟任务环境 互动图源：智慧医疗网
1969 年，科学家埃伯哈德·费兹做了个有趣实验：他把猴子大脑中的一个神经元与仪表盘连接，如果猴子可以通过某种思考方式触发该神经元，并让仪表盘的指针转动，它就能得到一颗香蕉味的丸子作为奖励。猴子为了获得更多奖励，竟然学会了控制神经元的触发。就这样，猴子偶然之下成了世界上首位脑机接口的「受试者」。
动物试验的成功为脑机接口在人类社会的研究提供了重要启示， 早在 20 世纪 90 年代，美国神经学家菲尔·肯尼迪就曾尝试将脑机接口植入一位瘫痪病人的大脑，使其能够用意念打字交流。这标志着脑机接口技术在人类社会迈出了重要一步。
现如今，脑机接口技术产生的数据越来越多，有效地管理和解析这些数据成为一大挑战。得益于 AI 技术的发展，科研人员在建立信号模式、过滤噪音、优化数据处理、提取有效信息等方面，能够不断提升科研效率。在国内政策支持方面，脑机接口也在 2023 年 9 月被工信部列入 4 个重点方向之一。以脑机接口为代表的高端生物技术正在成为下一代生命科学和信息技术交互的「新战场」。
从头皮到脑皮层，脑机接口的三大实施策略
脑机接口主要有三种实现形式：非侵入式、侵入式和半侵入式。
脑机接口的三种实现形式图源：脑机接口社区
- 非侵入式：无需侵入大脑，而是通过附着在头皮上的穿戴设备来记录和解读大脑信息。
该技术虽然避免了危险的手术，但由于颅骨对于大脑信号的衰减作用和对电磁波的分散、模糊等效应，设备最终记录到的信号强度和分辨率较低，难以确定发出信号的来源脑区或相关神经元的放电。
- 半侵入式：将脑机接口植入到颅腔内，大脑皮层之外。
该技术主要基于皮层脑电图 (ECoG) 进行信息分析，获得的信号强度及分辨率优于非侵入式，但弱于侵入式，可以降低免疫反应和愈伤组织的几率。
- 侵入式：通过手术将电极直接植入大脑皮层。
该技术可获得高质量的神经信号，但存在较高安全风险。比如，异物侵入可能会引发免疫反应和愈伤组织形成，伤口也可能难以愈合并引发炎症等一系列反应。
其中，马斯克的公司 Neuralink 就是采用侵入式脑机接口的技术方案，通过开颅手术将电极放入人类脑部，进而接触神经元细胞，实现脑电信号的获取及解码。对此，脑机接口之父米格尔·尼科莱利斯持有一个悲观态度：「尽管我发明了侵入式脑机接口，但对大多数病人和商业企业来说，非侵入式脑机接口才是未来数年的发展主流。」
海内外高校多方探索，脑机接口「对症下药」
近年来，除类似 Neuralink 的商业公司外，众多国内外科研机构和学术单位，也锚定医疗领域基于脑机接口进行了大量的科研与临床试验。
三大高校携手：瘫痪病人用「意念」打字
2021 年 5 月，斯坦福大学、布朗大学和哈佛医学院的知名科学家，联合开发了全新的脑机接口技术，帮助瘫痪病人直接将脑海中的想法以每分钟 90 个字符的速度转换为电脑屏幕上的文字，仅仅略低于研究对象同年龄层人群用手机的一般打字速度（每分钟 115 个字符）。
瘫痪男子用 「意念」打字的场景
该技术将微型电机阵列植入大脑， 保障了脑电信号的采集质量及其丰富性。其中，微型电机阵列就像是棋盘，在用户想象要写的字母时，植入大脑的电极可以捕捉和测量许多神经元的电活动，更精确地落实大脑的详细指令，满足「打字」要求。
通常，在采集到的脑电信号去除噪声后，需要解码「打字」的内容。研究人员利用 AI 模型学习神经活动与实际写字手指活动的映射关系，通过递归神经网络学习每个字母产生的神经活动模式，并分析这些活动模式在多个试验中的关系，用降维手段生成聚类图。算法会进一步预测参与者当前想象的字母，并将预测结果转换为印刷输出。最后，语言模型校正输出的初始结果，确保最终呈现的文字更加准确。
约翰·霍普金斯大学：用脑机接口操纵机械臂吃蛋糕
2022 年 6 月，约翰·霍普金斯大学团队通过植入芯片，让一名瘫痪超过 30 年的男子成功通过意念控制机械臂，并实现了自主进食。 这位志愿者是世界首位双边植入者，即大脑左右半球都植入了电极阵列。
瘫痪患者用意念控制机械臂吃蛋糕
本次研究中，研究人员提出了一种新方法——共享控制策略， 将人类和两个机械臂视为一个人机组合，把需要操控的自由度从 34 个减少到了 12 个，关节的运动和手指的捏合等其它自由度都交给逆向运动学算法 (Inverse Kinematics) 来求解。此外，这 12 个自由度被动态划分，在每一个特定任务中，系统都会划分好执行的环节步骤，通过语音引导，人类最多同时控制其中的 3 个，其他大部分工作交给算法来完成。
最终，参与者在总共 20 个测试任务中，成功执行了 17 个，并且可以根据自己喜好微调机械臂，控制切下蛋糕的大小，实现双手协调的精细操作。值得注意的是，本研究提出的共享控制策略可以降低脑机接口的解码难度，这让植入电极少或精度较低的低成本方案也能受益。
清华大学：四肢瘫痪 14 年的患者用「意念」喝水
2024 年 3 月，清华大学洪波教授团队公布了一个案例，一位四肢瘫痪 14 年的患者接受了无线微创植入脑机接口手术，手术后经过训练，仅用一个月的时间便在气动机械手套的帮助下成功抓住水瓶。
瘫痪患者用意念控制机械手套抓住水瓶
在这一案例中，「微创」是核心， 整个系统和集成了 300 多个零部件的体内机，仅有 2 个一元硬币大小。此外，洪波教授团队的方案介于侵入式和非侵入式之间，可谓「半侵入式」，整个脑机接口设备分为 3 个部分：电极、体内机和体外机。
人类头部组成框架
首先，研究团队利用磁共振技术定位患者的运动感知皮层，确定开颅放置电极的位置。然后，将采集信号的电极放置在颅骨和大脑皮层之间的硬脑膜外；负责处理脑信号和通信的体内机埋入约 6~10 mm 的颅骨内；体外机则被吸附在头皮上，一边接收、传输脑电信号，一边为体内机供电。
浙江大学：首次将「意念写汉字」变成现实
2024 年 4 月，浙江大学脑机调控临床转化研究中心神经疾病分中心，发布了关于脑控汉字书写的最新研究成果。
高位截瘫患者脑控汉字书写场景（右侧白板）
车祸后高位截瘫的患者用意念在脑海里写字，机械臂能够隔空在写字板上一笔一划写出「浙江大学脑机接口」8个字。
实际上，脑控汉字书写在实践过程中遇到很多挑战。首先，汉字的结构复杂，在偏旁、部首、笔顺等方面有很多讲究，其笔画多、字数多、分类难，解码难度也就更高。其次，传统脑机接口中控制机械臂伸抓的原理主要是对大关节运动的解析，而汉字书写则需要更为精细的运动。
实验中，志愿者在脑海中想象正常的书写过程，引发运动区的神经元活动，科研人员通过解析运动区的神经信号，获得受试者想象的书写轨迹，进而控制机械臂进行书写。这种通过提取瘫痪病人的脑电信号，来控制外部机械设备进而写出文字、满足患者沟通需求的全新疗法，对诸如渐冻症等患者来说至关重要。
事实上，除了实现「意念写字」之外，浙江大学在脑机接口的其他方向也展开了一系列研究。2014 年，浙大团队在人脑内植入皮层脑电微电极，用「意念」控制机械手完成高难度的「石头、剪刀、布」手指运动，创造了当时的「国内第一」。
2020 年，浙江大学完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究，一位因车祸造成四肢完全瘫痪的患者，在大脑运动皮层里面插入微电极阵列，经过系统训练后，能够通过机械臂完成握手、拿饮料、吃油条、玩麻将等动作。
安全与伦理双面挑战，脑机接口未来向何方
尽管脑机接口为医疗健康等众多领域提供了更具创造性的解决方案，但同时，该技术的迅猛发展也引发了社会公众对个人安全和 AI 伦理的深刻忧虑。
首先是受试者的个人生命安全问题。以 Neuralink 为例，尽管整个植入手术只需短短 15min，且对植入者的创伤很小，但其侵入式方式的缺点也很显著，开颅手术之后的安全性根本无法长期保证。此外，人体也可能会对植入物产生排斥免疫反应，造成潜在的生命威胁。若相关软硬件设施被非法使用（如输入恶意信号、 更改信号阈值），也可能引发脑部混乱，严重情况下甚至危及生命安全。因此，在进行人体临床试验之前，如何有效降低人类的生命健康风险，是摆在相关研究人员面前的一道难题。
其次是个人隐私安全问题。脑机接口技术利用软硬件设备直接采集和分析人脑的生物电信号，诸如健康状况、信仰和心理特征等隐私信息也会被设备获取，用户的思想几乎被完全暴露在机器面前，形成一种近乎「透明人」的状态，容易造成用户恐慌。
然后是伦理道德问题。其实，从 2022 年开始，Neuralink 就因动物实验引发了很大争议，美国动物保护组织 PCRM 也曾指控 Neuralink 存在虐待猴子的行为。如何在后续的动物试验中持续确保人道主义态度，这是人类必须要给出的一份答卷。
另外，脑机接口研究应尊重被试者的知情权和个人尊严，相关研究的关键技术、性能指标、获取途径应公开透明，涉及到可能具有争议的技术时，应广泛听取利益相关方和公众意见，也要防止脑机接口受众与非受众之间的偏见、歧视等问题的出现。
最后，当人脑与人工智能深度融合，主导者会是谁？究竟是人类控制机器，还是机器反客为主？如果人类在植入脑机接口后产生了错误、甚至犯罪行为，责任归属何方？或许在相关立法和规范出台前，这些都是脑机接口走向更广泛应用时必须攻克的难题。
参考资料：
1.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/110136.htm
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9927342/
3.https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27136825
4.https://mp.weixin.qq.com/s/Fg98TfqSiCxFEKJJ0Y6asg
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