脑机接口:人工智能的下一站？

随着人工智能的发展，脑机接口逐渐从科幻走向现实。有人希望借此创造“超人”，更多人希望解决实际问题。——让盲人重见光明，让瘫痪的病人重新在床上行走，让老年痴呆症患者恢复从前的记忆.但也有人持怀疑态度：脑机接口会让别人控制自己的大脑吗？被人工智能增强过的人还能叫“人”吗？日前，北京邮电大学杨逸仙教授、牛欣欣教授完成科普书《人工智能未来简史：基于脑机接口的超人制造愿景》，全面、客观、系统地梳理了BCI的过去、现在和未来。本期邀请两位作者写文章简单介绍一下他们的脑机接口。

脑机接口并不是个新名词

脑机接口(Brain-computer interface，BCI)是大脑系统(准确地说是基于大脑的神经系统)和计算机系统(准确地说是人工外部系统)之间的接口(电子信息接口)。

既然是接口，脑机接口就有两个主要任务：一是输出，即提取大脑系统的电信号，作为控制信号或脑电信息，让计算机系统做大脑系统想让它做的事情(即意念控制)或理解大脑系统的思想(即猜心或意念交流)；第二种是输入，即将计算机系统的指令以电信号的形式发送到神经系统，让大脑系统去做计算机系统希望它做的事情，或者将已有的知识或技能“下载”到大脑系统，让它“不用学也能学”。在遥远的未来，人们或许可以通过脑机接口交流思想。

简而言之，脑机接口的核心思想是，包括大脑在内的神经系统实际上是一个像计算机一样的信息系统。神经系统的各个部分不仅接收和传递信息，还接受电信号的控制来执行相关命令。因此，大脑系统可以与计算机系统连接。

脑机接口(Brain-computer interface，BCI)绝非新鲜事物，其悠久的历史可能超出了很多人的预料。早在1783年，加尔瓦尼就用不同的金属触碰一只死青蛙的大腿两端并引起肌肉收缩，实际上是无意中完成了一次脑机接口实验。这个实验不仅表明活的有机体是一个“发电机”，而且表明即使是非常微弱的电流也能引起神经的剧烈运动。

1818年11月，英国解剖学家尤尔在格拉斯大学的操场上公开做了一个恐怖实验，展示了电流刺激如何使神经系统产生预期的动作。原来，尤尔经过法庭特批，在一名死刑犯的身体上进行了通电实验，成功地使身体产生了呼吸、举手、踢腿、睁眼等动作，还表现出愤怒、恐惧、绝望、痛苦、恐怖、微笑等表情。当然，优儿不是在虐尸，也不是在哗众取宠，而是想让垂死的人复活。事实上，正是通过这个实验，优尔后来发明了心脏起搏电击法，沿用至今。

优尔从脑机接口的角度，首次证明了只要向局部神经系统输入适当的电信号，人体就会乖乖地执行相关命令。那么，理论上只要外力能改变相关的电信号，就能改变运动神经的相关动作，这就是脑机接口可以治疗帕金森病的理论基础。如果推广开来，任何人都可以很快成为世界第二钢琴家。——只要把一号钢琴家弹琴时的手臂运动神经信号原封不动地输入到他手臂对应的运动神经里，他的手就会不由自主地弹出优美的曲调。同时双手的感觉信息会反馈到大脑，让大脑逐渐学会如何向手臂发出正确的指令。这相当于钢琴大师用最准确的重复方式教人手拉手弹钢琴。

脑电波的神奇功能

1902年11月，在德国耶拿的一家精神病院，一位特别大胆的医生伯格治疗了一位头部被击中并在颅骨上留下一个弹孔的病人。伤者弹孔处的皮肤虽已愈合，但仍可观察到继续跳动。通过记录头皮跳动的波形，伯格发现了一个令人震惊的秘密：波形会随着病人的思想有规律地变化。即使患者只是在听、看、闻、触摸或做其他微小的动作，即使患者的情绪波动也会影响波形。

经过20多年的思考，伯格博士于1924年成功地对他儿子的头部进行了脑电图测试。他把自制的电流计的正负两极分别接在儿子的额头和后脑勺的头皮上，结果真的记录到了一个振荡频率约为10 Hz的神奇电波，也就是现在所说的伯格波。他观察到，伯格波会随着受试者的心理和生理状况而发生变化，甚至眨眼等微小的动作都会使伯格波发生变化，而正常人和精神病人的伯格波是不同的。

后来科学家进一步发现，从头皮的不同部位可以检测到不同频率的电磁波，所以这些不同频率的电磁波的集合统称为脑电波。

随着研究的深入，人们发现脑电波有许多奇妙的功能。比如脑电波可以预测一个人的学习潜力，尤其是外语学习潜力。结果发现，如果大脑右颞叶和顶叶的波(脑电波中频率为14 ~ 30hz的一种小波)很强，很可能表明受试者具有较强的外语学习能力；另一方面，接受过外语训练的成年人确实有显著增强的波。

脑电波也可以用来“猜心”。当你给孩子讲一道数学题时，你怎么知道他是否在专心听讲？当孩子理解解释时，脑电波会明显活跃；如果他对解释感兴趣，他的脑电波会更活跃；他在刚应对的时候，脑电波会明显减弱。甚至，心理学家可以利用脑电波知道受试者在想的是桌子还是椅子，或者是1到7中——的哪个数字。当主体在冥想不同的事物时，他的脑电波是不同的。只要他能先于受试者得到相应的脑电波，通过简单的对比，就能准确地猜出受试者的选择。在研究中还发现，对于一些特殊场景中的句子，很多人会激发出几乎相同的脑电波；相反，通过检测这种脑电波是否存在，可以推断出受试者是否在默念一句话。就这样，有人对多达240个预定句子完成了高准确率的“猜心”。

p>脑电波还可用于简单的意念控制。人们发现，每个人在冥想单音节字时，所激发的脑电波几乎各不相同，而且这种脑电波比较稳定。于是，控制玩具车这类简单的意念控制就比较容易实现：当你冥想前、后、左、右四个字时，脑电波是各不相同的，而且每个字所对应的脑电波还比较稳定，那么只需要利用这四个稳定的脑电波信号，就能实现让玩具车前、后、左、右行驶。更一般地，若某种操作的命令个数只是有限的N个，那么，只需要经过简单的训练和简单的指令信号对应，任何人都可以轻松完成意念控制任务。

反之，适当干扰脑电波也可以影响受试者。比如，受试者面对“苹果”两字时，既可能想到香甜可口的水果，也可能想到苹果牌电子产品。如果适时利用一种名叫“经颅刺激”的技术来刺激受试者的美味反应区，那么，就可让受试者更倾向于将“苹果”理解为美食，哪怕受试者本来是想买手机。

从幻想照进现实

如今，科学家们已经发明了多种获取脑电波的设备。已经投入应用的主要是针对健康人群的、精准性稍差一些的非植入式设备，比如大家经常在电视中见到的电极帽，或更加昂贵的磁共振成像仪等。

近些年来，科学家和工程师们则在开发用于特殊病人的植入式设备上花费了大量精力。这类设备被称为脑机芯片或干脆简称为脑机接口，它能获得更加精准的脑电信息，也能将外界电信号更加精准地输入大脑。实际上，早在1857年，植入式设备就被用于获取兔子和猴子的脑电波。但因为安全性、伦理性等考虑，一直没有在人类的临床上取得突破。但是随着人工智能相关技术和工程技术、材料技术的飞速发展，不少科学家又开始了这类尝试，例如马斯克即将推出的脑机接口就是植入设备的典型代表。

如今，学术界比较一致地根据控制信息的精准程度，将脑机接口分为宏观型、中观型和微观型三大类。其中，宏观型脑机接口传递的信息主要是脑电波。此类脑机接口的特点是：原理简单，一说就懂；实现不难，而且已经或正在许多领域中广泛使用；精度不够，既不能实现复杂而精准的意念控制，更不是今后意念通信的备选方案。

微观型脑机接口是与宏观型脑机接口相对的另一个极端，它们传递的信息主要是神经元个体或群体的电特性。它们将是未来研究的难点和重点，一旦实现，将极大地改变人类的现状，但我们也必须承认，或许在可见的将来，这都还只能是梦想。我们在《人工智能未来简史》一书中用四句话来描述微观型脑机接口：不是科幻胜似科幻，脑电之妙玄之又玄；人性自足不假外延，格物致知重在内涵。

中观型脑机接口介于宏观型和微观型之间。与宏观型相比，中观型脑机接口将宏观的体外脑电波替换为颅腔内的“大脑地图”，即大脑中与物理位置相关的一些电信号。若干年来，科学家们经过反复探测，获得了一些电信号。比如，刺激某个位置的神经时，受试者会有幸福感；刺激另一个位置，受试者则会在某个指尖上产生触摸感等。基于这类研究，科学家们不断绘制更详细的“大脑地图”。可以想见，只要能足够精准地获得某人某时的“大脑地图”，便可在一定程度上实时了解受试者的某些感觉；同样，只要掌握好电信号的刺激位置、时机、电流强度等，便可以让受试者产生相应的感觉，或对肢体发出相应的控制命令等。

如今，科学家们已经在中观型脑机接口上取得了突破性进展。比如，让盲人“看见”东西。具体来说，就是让摄像机将图像切割成20×20的400个点阵，并根据每个点阵的亮度，在皮肤的相应点阵位置上产生相应强度的震动。于是，经过适当训练后，受试者不用“眼见为实”，就能在头脑中形成明暗不同的点阵图像，从而以黑白图像的方式识别出不同的面孔，知道物体的远近，观察到物体的旋转及形状变化，了解当前的观察角度；甚至还能像常人那样，通过想象“看见”物体被遮挡的部分。

脑机接口展现了无限可能，吸引着科学家们前赴后继，不懈攻关，也将是国际竞争的焦点。未来，就从今天开始。