作者：楊義先、鈕心忻（均系北京郵電大學教授）

　　隨著人工智能的發(fā)展，腦機接口也逐漸從科幻走進現(xiàn)實。有人希望以此造就“超人”，更多的人則希望能夠解決實際問題——讓盲人復明、讓癱瘓在床的患者重新走路、讓阿爾茲海默癥患者找回曾經(jīng)的記憶……但也有人持有懷疑態(tài)度：腦機接口會不會讓別人控制自己的大腦？被人工智能增強了能力的人，還能稱之為“人”嗎？日前，北京郵電大學教授楊義先、鈕心忻完成的科普書《人工智能未來簡史：基于腦機接口的超人制造愿景》，對腦機接口的過去、現(xiàn)在和未來進行了全面、客觀而系統(tǒng)的梳理。本期，我們邀請兩位作者撰文，簡單介紹一下他們眼中的腦機接口。

　　腦機接口并不是個新名詞

　　腦機接口就是腦系統(tǒng)（準確地說是以腦為主的神經(jīng)系統(tǒng)）與機系統(tǒng)（準確地說是人造的體外系統(tǒng)）之間的接口（準確地說是電子信息接口）。

　　既然是接口，腦機接口的主要任務有兩個：一是輸出，即把腦系統(tǒng)的電信號提取出來，并以此作為控制信號或腦電信息，讓機系統(tǒng)去做腦系統(tǒng)想讓它做的事情（即意念控制）或了解腦系統(tǒng)的想法（即猜心術或意念通信）；二是輸入，即把機系統(tǒng)的指令以電信號的形式送入神經(jīng)系統(tǒng)，讓腦系統(tǒng)去做機系統(tǒng)想讓它做的事情，或?qū)⒓扔兄R或技能“下載”給腦系統(tǒng)讓它“不學而會”。在遙遠的將來，人們或許能夠通過腦機接口實現(xiàn)意念通信。

　　總之，腦機接口的最核心思想是：包括大腦在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)，其實就是像電腦一樣的信息系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)的各部分之間既接收和傳遞信息，又接受電信號的控制而執(zhí)行相關命令，所以，腦系統(tǒng)才能與機系統(tǒng)彼此連接。

　　腦機接口絕非新鮮事物，其歷史之悠久可能出乎許多人的意料。早在1783年，伽伐尼用不同金屬觸碰死青蛙大腿的兩端并引起了肌肉收縮，這其實就在無意間完成了一次腦機接口實驗。該實驗不但表明生物機體是“發(fā)電機”，還表明電流哪怕只是十分微弱的電流，也可引發(fā)神經(jīng)的劇烈運動。

　　1818年11月，英國解剖學醫(yī)生尤爾在格拉斯大學操場上公開表演了一個恐怖實驗，展示了電流刺激如何讓神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生預期動作。原來，經(jīng)過法院特批后，尤爾對一具死刑犯的尸體進行了通電實驗，成功地讓該尸體產(chǎn)生了諸如呼吸、抬手、蹬腿、睜眼等動作，還表現(xiàn)出憤怒、恐懼、絕望、痛苦、驚悚和微笑等表情。尤爾當然不是在虐待尸體或嘩眾取寵，而是在嘗試把將死之人救活——實際上，正是通過這次實驗，尤爾后來發(fā)明了心臟起搏電擊法，并沿用至今。

　　從腦機接口角度看，尤爾首次以事實證明，只要對局部神經(jīng)系統(tǒng)輸入合適的電信號，人體就會乖乖地執(zhí)行相關命令。那么，理論上，只要能通過外力改變相關的電信號，就可改變運動神經(jīng)的相關動作，這便是腦機接口可以治療帕金森癥等的理論基礎。若再加推廣，任何人都可以很快成為全球第二的鋼琴家——只需將排名第一的鋼琴家彈鋼琴時的手臂運動神經(jīng)電信號，原封不動地輸入自己手臂上相應的運動神經(jīng)，雙手就會不由自主地彈出優(yōu)美曲調(diào)。同時，雙手的感覺信息又會反饋給大腦，讓大腦逐漸學會如何向手臂發(fā)布正確命令。這就相當于鋼琴大師以最精確的重復方式，“手把手”地教人彈鋼琴。

　　腦電波的神奇功能

　　1902年11月，德國耶拿的一家精神病院里，一位特別膽大的醫(yī)生伯格收治了一位病人，他被擊中頭部，并在顱骨留下一個彈孔。傷者彈口處的皮膚雖然痊愈了，卻能被觀察到不斷跳動。伯格通過記錄頭皮跳動的波形，發(fā)現(xiàn)了一個驚天秘密：該波形會隨著患者的思想而很有規(guī)律地變化。哪怕患者只是在聽、看、嗅、觸或做其他很微小的動作，甚至患者的情緒波動，都會影響波形。

　　冥思苦想20余年后，伯格醫(yī)生于1924年在他兒子的頭上成功進行了一次腦電檢測實驗。他將自制電流計的正負兩極分別接在兒子的額頭和后腦勺的頭皮上，結果真的記錄到了振蕩頻率大約為10赫茲的神奇電波，如今這種電波稱為伯格波。他觀察到，伯格波會隨著受試者心理和生理情況的變化而變化，甚至哪怕只是眨眼之類的小動作都會讓伯格波發(fā)生變化，而正常人與精神病患者的伯格波也不相同。

　　后來，科學家們進一步發(fā)現(xiàn)，從頭皮上不同部位都可以檢測到不同頻率的電磁波，于是便將這些頻率不同的電磁波的匯集，統(tǒng)稱為腦電波。

　　隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，腦電波具有眾多奇妙功能。比如，腦電波能預測某人的學習潛力，特別是外語的學習潛力。原來，如果大腦右側顳葉和頂葉區(qū)域的β波（腦電波中的一種頻率為14至30赫茲的子波）很強，那很可能預示著受試者有較強的外語學習能力；另一方面，經(jīng)過外語訓練的成年人，其β波確實會明顯增強。

　　腦電波還能用來“猜心”——當你給一個小孩講數(shù)學題時，怎么知道他是否在用心聽呢？當小孩聽懂了講解時，腦電波就會明顯活躍；如果他對講解感興趣，其腦電波會更加活躍；當他只是在應付，其腦電波就會明顯減弱。甚至，心理學家利用腦電波還能知道受試者到底是在想桌子還是椅子，或者是在想1到7中的哪個數(shù)——受試者在冥想不同事物時，他的腦電波是不同的，只要能得到受試者之前相應的腦電波，便可通過簡單對比而準確地猜出受試者的選擇。人們在研究中也發(fā)現(xiàn)，對某些特殊場景中的句子，許多人會激發(fā)出幾乎相同的腦電波；反之，通過檢測這種腦電波是否存在，就能推斷出受試者是否正在冥想某個句子。有人就通過這種方法，對多達240個預定的句子完成了準確度很高的“猜心術”。

　　腦電波還可用于簡單的意念控制。人們發(fā)現(xiàn)，每個人在冥想單音節(jié)字時，所激發(fā)的腦電波幾乎各不相同，而且這種腦電波比較穩(wěn)定。于是，控制玩具車這類簡單的意念控制就比較容易實現(xiàn)：當你冥想前、后、左、右四個字時，腦電波是各不相同的，而且每個字所對應的腦電波還比較穩(wěn)定，那么只需要利用這四個穩(wěn)定的腦電波信號，就能實現(xiàn)讓玩具車前、后、左、右行駛。更一般地，若某種操作的命令個數(shù)只是有限的N個，那么，只需要經(jīng)過簡單的訓練和簡單的指令信號對應，任何人都可以輕松完成意念控制任務。

　　反之，適當干擾腦電波也可以影響受試者。比如，受試者面對“蘋果”兩字時，既可能想到香甜可口的水果，也可能想到蘋果牌電子產(chǎn)品。如果適時利用一種名叫“經(jīng)顱刺激”的技術來刺激受試者的美味反應區(qū)，那么，就可讓受試者更傾向于將“蘋果”理解為美食，哪怕受試者本來是想買手機。

　　從幻想照進現(xiàn)實

　　如今，科學家們已經(jīng)發(fā)明了多種獲取腦電波的設備。已經(jīng)投入應用的主要是針對健康人群的、精準性稍差一些的非植入式設備，比如大家經(jīng)常在電視中見到的電極帽，或更加昂貴的磁共振成像儀等。

　　近些年來，科學家和工程師們則在開發(fā)用于特殊病人的植入式設備上花費了大量精力。這類設備被稱為腦機芯片或干脆簡稱為腦機接口，它能獲得更加精準的腦電信息，也能將外界電信號更加精準地輸入大腦。實際上，早在1857年，植入式設備就被用于獲取兔子和猴子的腦電波。但因為安全性、倫理性等考慮，一直沒有在人類的臨床上取得突破。但是隨著人工智能相關技術和工程技術、材料技術的飛速發(fā)展，不少科學家又開始了這類嘗試，例如馬斯克即將推出的腦機接口就是植入設備的典型代表。

　　如今，學術界比較一致地根據(jù)控制信息的精準程度，將腦機接口分為宏觀型、中觀型和微觀型三大類。其中，宏觀型腦機接口傳遞的信息主要是腦電波。此類腦機接口的特點是：原理簡單，一說就懂；實現(xiàn)不難，而且已經(jīng)或正在許多領域中廣泛使用；精度不夠，既不能實現(xiàn)復雜而精準的意念控制，更不是今后意念通信的備選方案。

　　微觀型腦機接口是與宏觀型腦機接口相對的另一個極端，它們傳遞的信息主要是神經(jīng)元個體或群體的電特性。它們將是未來研究的難點和重點，一旦實現(xiàn)，將極大地改變?nèi)祟惖默F(xiàn)狀，但我們也必須承認，或許在可見的將來，這都還只能是夢想。我們在《人工智能未來簡史》一書中用四句話來描述微觀型腦機接口：不是科幻勝似科幻，腦電之妙玄之又玄；人性自足不假外延，格物致知重在內(nèi)涵。

　　中觀型腦機接口介于宏觀型和微觀型之間。與宏觀型相比，中觀型腦機接口將宏觀的體外腦電波替換為顱腔內(nèi)的“大腦地圖”，即大腦中與物理位置相關的一些電信號。若干年來，科學家們經(jīng)過反復探測，獲得了一些電信號。比如，刺激某個位置的神經(jīng)時，受試者會有幸福感；刺激另一個位置，受試者則會在某個指尖上產(chǎn)生觸摸感等。基于這類研究，科學家們不斷繪制更詳細的“大腦地圖”。可以想見，只要能足夠精準地獲得某人某時的“大腦地圖”，便可在一定程度上實時了解受試者的某些感覺；同樣，只要掌握好電信號的刺激位置、時機、電流強度等，便可以讓受試者產(chǎn)生相應的感覺，或?qū)χw發(fā)出相應的控制命令等。

　　如今，科學家們已經(jīng)在中觀型腦機接口上取得了突破性進展。比如，讓盲人“看見”東西。具體來說，就是讓攝像機將圖像切割成20×20的400個點陣，并根據(jù)每個點陣的亮度，在皮膚的相應點陣位置上產(chǎn)生相應強度的震動。于是，經(jīng)過適當訓練后，受試者不用“眼見為實”，就能在頭腦中形成明暗不同的點陣圖像，從而以黑白圖像的方式識別出不同的面孔，知道物體的遠近，觀察到物體的旋轉(zhuǎn)及形狀變化，了解當前的觀察角度；甚至還能像常人那樣，通過想象“看見”物體被遮擋的部分。

　　腦機接口展現(xiàn)了無限可能，吸引著科學家們前赴后繼，不懈攻關，也將是國際競爭的焦點。未來，就從今天開始。