科幻作品从上个世纪初至今已有近100年的历史，其表现形式涵盖了文学、电影、漫画、游戏等诸多领域，志在以艺术、幻想的方式来表现科学技术远景及社会、生产力的发展对人类的影响。
在这100年的时间里，诞生了无数伟大的科幻作品如《攻壳机动队》、《黑客帝国》、《三体》等等，今天我们就聊一聊科幻作品和现实世界中的脑机接口技术。
01
脑机接口是什么
脑机接口这个概念是1973年，由UCLA的雅克达维尔教授提出的，是指大脑（神经系统）与外部机器直接连接，实现大脑和机器的信息交流。脑主要由神经元组成，是人体的控制器 ，它通过我们的眼睛、耳朵、皮肤获取到外界的信息，同时也会向我们的肌肉发出控制信号。
如果把人体比作一台电脑，那么眼睛、耳朵就是鼠标键盘，是输入设备；肌肉、声带就是显示器、打印机，是输出设备。而脑机接口就是跳过基于肉体的一些生物学功能，让脑直接和机器实现信息交换的设备。
说到这，很多人会想到《黑客帝国》。在《黑客帝国》中，现实世界的人类需要通过插入连接器的方式进入到“母体”世界中。这种“脑后插管”的方式便是典型的侵入式脑机接口，与之对应，像《刀剑神域》《头号玩家》中的游戏头盔是非侵入式的脑机接口。
02
将信号输入大脑
我们对现实世界的感受其实就是外界对大脑的信息输入，感光细胞受到光线刺激后产生电流传递给大脑视觉中枢，形成视觉；耳蜗中的毛细胞把声信号转化为生物电，经听神经传递给大脑听觉中枢，形成听觉。目前，我们在“电子眼”与“电子耳”方面已经有了一些进展。
人工耳蜗不再依靠外耳、中耳的传导和放大功能，也不利用毛细胞声信号-电信号的转换能力，而是靠体外处理器将声音转为电信号并直接刺激听神经，再传导到听觉中枢产生听觉。
目前，能够被大家所熟知的人工耳蜗品牌就是国外的三大产品：澳大利亚Cochlear公司的Nucleus，美国Advanced Bionics公司的Clarion及奥地利MED-EL公司的产品。随着国内微电子技术的发展，我们也有了国产的人工耳蜗包括诺尔康、力声特和爱益声。
仿生眼与人造耳蜗类似，在视网膜上植入电极，将植入物连接到一副眼镜、一台照相机和一台便携式微型计算机上。相机捕捉进入植入者视野的图像，并将这些图像发送到计算机，计算机将它们转换成电信号，然后传输到电极。
电极根据在视野中检测到的光模式刺激视网膜神经节细胞，从而使大脑获得视觉。
目前，仿生眼的普及程度还远不及人工耳蜗，只有Second Sight、Phoenix 99等少数公司的产品能投入商用，但是据世界卫生组织的数据，全世界至少有 22 亿人受到某种形式的视力障碍，从轻度视力受损，到完全失明。面对如此巨大的市场，我相信这项技术终会普及。
在电影《黑客帝国》中，有这样一个桥段，主角通过脑机接口直接加载程序，学习了包括柔道在内的多种知识，这可能实现吗？
2009年，美国南加州大学的 Theodore Berger 教授做了一项实验，他在一个老鼠的大脑里面放上了一个能够进行神经记录和刺激的芯片。然后，他把这个老鼠放在笼子里面，如果它去吃左边的东西就对其电击。慢慢地，这只老鼠开始自发的到右边吃东西。
随后，Theodore Berger 把这个芯片从这只老鼠体内取出，植入到另外一只从来没有去过这个实验场景的老鼠的大脑里。结果，这个老鼠自动就跑到了右边的地方去吃东西，永远不去左边。这意味着，记忆是有可能被移植的。
2013年，麻省理工大学的研究员在老鼠身上实现了记忆植入。研究人员把老鼠放在不同盒子里，让老鼠能区分安全、危险的盒子。通过对老鼠记忆细胞进行光刺激，改变了老鼠对于不同盒子的记忆，使老鼠在安全盒子中感到恐惧。
或许，随着脑科学的发展，我们真的可以靠记忆植入进行学习。
03
接收大脑信号
在电影《明日边缘》中，汤姆·克鲁斯饰演的威廉少校使用外骨骼战斗的桥段令人印象深刻，而如今依靠脑机接口的外骨骼技术已取得进展。
杜克大学的Miguel Nicolelis是相关领域的领军人物。2008年，他成功让猴子在美国控制了一具在京都的机器人行走。而猴子在自己没有运动的情况下依然可以继续控制京都的机器人的行动。
这就表明大脑可以适应新功能，并且为之搭建一套新的连接。从2010年开始Miguel Nicolelis就着手为下肢瘫痪的29岁巴西青年Juliano Pinto制作一身外骨骼。2014年巴西世界杯上，Pinto就身着这身外骨骼为巴西世界杯进行了开球。
面向运动功能的脑机接口是非常流行的研究方向，若干研究小组已经能够使用神经集群记录技术实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号，并用来控制外部设备，这项技术如果能普及的话，四肢受损的残疾人就能够恢复正常生活了。
同时，这项技术也被应用于救援，军事等方向。除了老牌的美国，以色列，日本等国家，我国也有许多公司加入了这一领域，如大艾机器人、傅里叶智能等。
除了接收控制运动系统的信号外，意念打字也成为了现实。在斯坦福大学、布朗大学、哈佛医学院等团队的合作下，通过植入电极，可识别用户试图书写的26个字母或5个标点符号，可实现每分钟输出73.8个字母，约为15个单词。
04
脑机接口的未来
作为人体中最复杂的器官，我们对大脑的了解还太少。随着脑科学的发展，脑机接口的功能也会越来越强大。使盲人复明，使瘫痪者行走，使聋哑人开口说话，这些传说中的神迹会因科学来到人间。
在其他领域，脑机接口被认为是元宇宙的终极解决方案，是人与人、人与世界沟通方式的革命。
与此同时，相应的伦理挑战与安全风险同样值得我们重视。电极本身的生物安全性需要严格考量，高精度的脑机接口系统可以读取大量的中枢神经活动信息，不仅涉及更多的个人隐私，而且也会产生新的神经伦理学问题。
脑机接口技术的适用或运作范围也需严格规范。当前已实际应用的脑机接口技术多专注于功能的恢复、改善或替代，但未来脑机接口技术在功能的补充与增强方面也将有长足的发展。
随着大脑功能和神经机制不断被揭示，脑机接口系统可能将功能增强至超越自然的水平。这就涉及增强的限度、安全性与公平性等问题。解决此类问题需要医生、科学家、工程师、伦理学家、政府监督机构和患者权益团体进行密切对话与合作，来共同制定可操作性的伦理准则。
参考文献：
[1]医学领域应用脑机接口技术的伦理困境 《中国医学伦理学》2019年 第10期 | 周吉银 刘丹
[2]Willett, F.R., Avansino, D.T., Hochberg, L.R. et al. High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature 593, 249–254 (2021).
[3]Vision quest，Wired Magazine，2002年9月
[4]Controlling robots with the mind，Scientific American，2002年9月16日
作者｜冯冰彦
审核｜徐晶晶
文章由科普中国-创作培育计划出品，转载请注明来源