脑机接口技术——脑＋机=无限可能

小时候看武侠小说仙侠剧的你，是否有过希望自己也能够做到像小说中主角“一念之下，万剑齐发；抬手间，物体隔空腾起直击敌人面门”的超人梦？如今，这种“超能力”竟然真的可能在未来得以实现，用意念与他人沟通，用意念关灯、拿杯子喝水……都不在话下，它就是——“脑机接口技术”！

可能很多人都没有听过这项听起来极具科幻意味的技术，它不仅能让正常人神通广大，同样也在医学领域备受欢迎。《自然》nature期刊曾发表，一名40岁的男性因事故双腿瘫痪了十二年，研究人员通过在其脑内植入电子传导装置，重新连接该男子的大脑和脊髓，从而让他能够不用他人协助，只需通过意念来自由行走，重获新生！

通俗来说，脑机接口（BCI）是一种可以将人脑和外部设备直接连接交互的系统。

我们知道，人脑通过神经元和神经突触发挥意识、思维等大脑功能，它们对应于人体不同器官和肢体功能，如感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、情绪等各种功能。而脑机接口正是通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，并利用预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并通过此来控制外界设备如机械臂、轮椅等，也可以将其结果回馈给用户，使大脑获得更好的性能（如下图所示）。脑机接口不仅仅可以实现“输出”，同时也可以将信息编码输入大脑，实现人脑和计算机的双向交互。

举例来说，残障人士可以通过安装假肢，即“外部设备”，脑机接口采集脑中原本感知控制该肢体的相关电信号，经过处理后将识别到的意图指令如抬手，握拳……转化给“外部设备”假肢，残障人士即可通过他们的大脑活动来控制假肢。

该技术目前主要分为侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。

1、 非侵入式脑机接口最为常见，即不进入人脑而戴上穿戴设备（如脑电帽、近红外头盔或磁共振头线圈等），通过贴在头皮上的电极片对大脑信息进行解读分析。具有操作简单、安全、可靠、有效等优势。但由于它隔着头皮和头骨，容易受到干扰，精细度和精确度受到局限，目前众多企业和公司都在研究开发相关设备，如脑控轮椅，脑控护理床，动态脑电图，专注力训练头环等等。

2、 而侵入式脑机接口即把接口侵入大脑灰质，相较非侵入式，信号质量和精细度要好的多，但同时流程难度也相对更难更大，安全风险性没有保障。它能够帮助残障人士、重度抑郁症患者等心理疾病人士，帕金森等患者减少不便和痛苦，而今年一月马斯克旗下脑机接口公司（Neuralink）完成首例人类大脑设备植入手术，这一重大突破，就是侵入式脑机接口的典型代表

目前的脑机接口技术主要有两大功效，分别为训练型和替代型。

多用于医学康复领域，它可以改善某种疾病的症状或恢复某种功能。例如对一个运动皮层受损的病人来说，脑机接口可以从受损的皮层区采集信号，然后刺激失能肌肉或控制矫形器，改善手臂运动；脑机接口也可以通过检测某处电信号异常后对其进行相应的电刺激，从而抑制病情发作。

则是脑机接口的输出可以取代自然输出。比如一个人可以通过脑机接口系统进行“视觉输入”，即不动手，通过该技术把计算机的指令转换成电信号传递给大脑，等到大脑做出回应后 脑机接口再将它转换成计算机可识别的信号，以输出文字或操控电脑，从而将脑中所想的信息传达出来，达到所谓的意念打字。

医疗健康：二大功效均有所涉及，可针对因为损伤或疾病而丧失某种功能的患者；亦可完成对人体神经系统状态的实时监控与测量，帮助其恢复等。

娱乐：脑机接口可以用意念来控制虚拟现实（VR）界面的选项或导航，提高了玩家的游戏体验感和乐趣。

智能家居：脑机接口则增加了新型控制方式——脑控，在智能家居领域表现为可以类似于“遥控器”，使人们用意念开关灯，控制机器人，使人们生活更便捷。

军事：脑机接口可以协助操控各类无人装备，代替人们深入不适宜探测领域或执行危险任务，也可以将机械骨骼附着在士兵肢体上，通过想象指挥机甲攻击，增强个体作战力量，实现玄幻小说里的“铁锤手”。

其它：脑机接口也可以通过植入电极增强正常人的注意力、运动能力等。

BCI这一技术的开发被广泛运用于医学领域尤其康复治疗行业，如运动障碍康复，语言恢复，神经调节和治疗等等，即上文所说的“训练型”脑机接口，采用脑机接口技术的新型康复训练方法也可以缓解康复治疗医师数目紧缺和人工康复 耗时耗力的问题。

脑机接口可以实时探测大脑的活动状态，当处于异常时，可对特定脑区进行刺激将其调整为稳定状态，因此该技术也可以治疗多种脑疾病，如癫痫，抑郁症，强迫症等等。

近年来，BCI技术在神经康复领域的应用逐渐增多。脑卒中，即人们常说的“中风”，作为“人类健康的头号杀手”，大多患者非死即残，具有发病率高，致残率高，死亡率高和复发率高的特点。BCI技术的开发在脑卒中康复中取得了重大成效，我们着重以面向脑卒中的脑机接口技术为例阐述。

脑卒中患者并发症通常是不同程度的运动功能障碍和语言障碍，传统康复训练如针灸、刺激、强迫运动等的原理是从肢体末端到神经中枢的单向刺激，患者参与度低，效果并不佳；而BCI能够更主动、更直接的指导患者进行康复训练。它能够帮助患者主动进行大脑运动想象，但不发生实际动作，刺激患者大脑运动区域促使其神经重塑，使之形成新的神经回路，达到恢复患者的运动功能，实现康复治疗的目的。

研究人员依此创造了脑机接口康复训练系统，它不依赖于大脑周围神经和肌肉的通信系统，达成大脑对外界设备的直接控制。它包含了四个模块，分别是  采集、处理、控制、反馈。脑机接口会分别采集患者脑部信号，接着把信号转化为机器能听懂的指标，对外控制设备，最后完成对大脑的控制。

这能让患者在脑中模拟真实动作，传导并指挥康复设备带动患者肢体运动，同时这种肢体运动也会反过来刺激患者大脑内运动感知和控制神经，使其主动康复的意愿越来越强，进而实现由被动康复向主动康复的转变。

虽然BCI具有不可预估的发展前景和美好的设想，但由于安全性和大脑的复杂性，它仍然无法广泛的运用在患者身上。其仍面临着几大挑战：

1. 在“处理”环节中的神经解码是目前最大的技术性问题，由于个体性差异，数据量不够，无法做出一个精准的建模

2. 在“反馈”环节按理需要通过光遗传学或电刺激来告诉大脑我们的意念，而这一部分仍处实验阶段。

3. 进行MI-BCI康复治疗时，其治疗剂量包括治疗疗程、治疗频率、治疗持续时间、治疗强度等尚不明确，未来还需要更多有关脑卒中患者 BCI 疗程的临床研究，以进一步提高BCI技术治疗的有效性。

4. 前文曾提到过，BCI作为一种非侵入式脑机接口技术，由于隔着头骨，采集到的信号质量并不高。研究表明联合 fMRI 或 fNIRS 等其他神经成像方式的多模态脑机接口系统能够提高质量，但具体如何提高仍需要做进一步的探讨。

5. 为使患者更好地控制 BCI 系统，患者训练周期过长，需要做多次无反馈的运动想象任务用于训练分类模型。而脑卒中患者的注意力差且集中精力短，无法得到良好的训练体验。

脑机接口技术，作为一项新型革命性技术，在各个方面都极具极大的发展前景，具有无限可能。它实现了人脑与外界的直接连接，对医疗领域来说是一重大突破，创造了帮助患者重新站起来，重获自由的可能性，又给予了多少家庭新的希望。但由于人脑的复杂性和安全性考量，它也面临着各大挑战，我们还有很长的路要走。让我们一起在这条未知的道路上不断探索，创造可能，期待奇迹！

主要参考文献：

    作者：储语天

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