治疗帕金森、提高专注力，脑机接口安全吗？能像手机一样普及吗?
日前，有报道称，马斯克脑机接口公司透露，其脑机接口首试者的植入式芯片出现问题，一些接线脱落，工作人员已进行了修复。尽管目前这一问题并未直接威胁到受试者人身安全，但脑机接口的安全性问题再次引发关注。
脑机接口，相信许多人对于它的了解，是从科幻电影开始的：一根数据线，将我们的大脑和机器连接，凭借意念实现“随心而动”。究竟什么是脑机接口，如何做到的？安全吗？它将给我们生活带来哪些改变？人机共生会是必然吗？
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什么是脑机接口
在了解脑机接口前，先来简单了解下我们大脑的工作流程。
人类大脑中约有1000亿个神经元细胞，这些神经元细胞通过突触连接在一起，组成了复杂的神经网络。你听到的、看到的、感受到的，你做什么、说什么，都是通过神经元细胞“放电”来完成的，相邻的神经突触把这些加密的神经电信号传递给下一个神经元细胞，最终实现看、说、听、思考等目的。正是神经网络中有这种穿梭往复的电信号，我们才能进行复杂的思维活动。
而脑机接口，就是让大脑神经信号和外部设备之间，直接进行信息交互的一种技术，省略了无数的神经元传导。可以简单理解为：这是一种让大脑与外部设备直接“对话”的一种技术。一名脑机接口领域研究人员解释称，脑机接口一方面是读，一方面是写，“写相对于读还难一些。”
“读”的目的是完成解码和控制。
“通过特制的电极，脑机接口可以读到大脑中的神经信号，如果用图呈现，就是许多不停震荡的线，就是我们日常看到的脑电图。”该研究人员介绍道，接下来就需要研究大脑究竟想让你干什么。在正常的人脑中，我们的脸、手、腿等身体各处的肌肉和骨骼等能认识这种信号，作出相应反应，而脑机接口，捕捉到这种信号后会进行分析处理，翻译成机器能明白的指令，从而实现脑-机连接，这就是解码。
接下来就是机器帮助实现控制。翻译好的信号被送到各种设备，比如机械手臂、轮椅等，这些设备会随人的心意而动。
而所谓“写”，就是把外部信息“写”入大脑，对其进行刺激。“像对中风、癫痫、帕金森等神经性疾病的治疗，都是通过写入来完成的。”
“读和写很好地体现了脑机接口的交互性。”该研究人员如是说。
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脑-机如何连接？
脑机接口，大脑和机器连接方式是关键。
“目前，脑机接口主要有三大技术路径：非侵入式、侵入式和半侵入式。”这名脑机接口领域研究人员表示，三大路径，各有利弊，最大区别在于信噪比（接收到的有用信号的强度与接收到的干扰信号的强度的比值）和安全性之间的取舍。
非侵入式，很好理解，就是无创的，在头皮上就可以做，优点很明显：无感染，几乎没风险。“但它只能监测到神经信号的整体活动，信号差、不精准。”该研究人员解释说，非侵入式隔着头皮、头发、角质层等，都会对信号有很大干扰。“另外，隔着头发采集脑电一般情况下还要涂导电膏，来增强信号，但导电膏几小时就干了，信号又会变差。”
“侵入式需将电极植入大脑皮层，直达神经元细胞群体之中，数据量巨大，读取的脑电波精准，信号好。”这名研究人员表示，由于传递出来的信号量巨大，在马斯克公司这次试验之前，只能靠有线完成，这根线从颅内一直迁到外面，长期在非无菌环境下，就很容易发生感染。“马斯克公司这次的植入式脑机接口人体试验，已用到了无线，无疑是很大的技术进步。”
“长期来看，电极还会因排异反应而慢慢失效——人体的自我保护机制会想办法，把这个外来物给挤出去，渐渐地，类似疤痕组织的东西会把电极包裹起来，信号会越来越差直至失效，而且无法取出。”
被“失效”电极覆盖的神经元对应的功能，还能用脑机接口实现吗？
“对于此问题，马斯克公布的处理方案是针对剩下的信号优化了算法，这种处理方法重新实现了预定功能，但这不一定是长久之计。”
既安全信号又好的方法存在吗？
“这就是半侵入式要解决的痛点。”为了方便理解，这名脑机接口领域研究人员把大脑结构和鸡蛋结构做了类比：头骨就是鸡蛋壳，鸡蛋壳和鸡蛋清之间的那层薄膜就是脑硬膜，而大脑在脑硬膜下面，“半侵入式，就是把电极放在了脑硬膜外，不会引起排异反应，可以避开头骨的屏蔽，直接获取到比非侵入式更清晰的神经信号。”
另一方面，相较于侵入式，由于技术原因，半侵入式所需信号量少，因此可以通过无线将信号传递出来，大大降低了感染风险。据悉，清华大学团队自主研发的设备选择的就是这条技术路径。
三种技术路线，各有利弊，互为补充。目前，我们国家三种发展路径都在积极推进。“之前，我们脑机接口领域在国际上处于追赶阶段，但经过二十多年发展，近些年在某些领域我们已经追上，甚至赶超了。”该研究人员如是说。
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生活中哪些领域已被“接”入？
尽管脑机接口目前没有像智能手机、智能家居一样实现普及，但在一些特殊领域已被“接”入。
医疗
科学家最初研究脑机接口技术的动力，来自于医疗领域，目的是帮助那些重度运动功能障碍患者重建肢体运动能力。目前来看，它的初衷已很好实现：脑机接口已然在医疗领域表现出了强大生命力。
脑机接口可以成为连接瘫痪患者大脑和外部“躯干”的桥梁，帮助他们用意念取物；也可以使残疾人的假肢更精准地执行大脑指令。由于大部分药物难以通过血管进入大脑，传统药物对于治疗帕金森、癫痫等神经类疾病效果不佳，通过脑机接口技术可对大脑神经直接调控干预，起到意想不到的治疗效果。
比如治疗帕金森，可以使用电极精准探测到大脑哪个区域出了问题，并刺激大脑中的运动神经，遏制大脑的异常放电，缓解帕金森病人的颤抖等症状。
2023年10月，清华大学医学院洪波教授团队与首都医科大学宣武医院合作，将自主研发的半侵入式无线微创脑机接口植入到了一位高位截瘫的病人脑内，经过3个多月的康复训练，全身瘫痪15年的病人实现了自主脑控喝水，手臂也变得有力，甚至可以感受到冷热。
“目前侵入式、半侵入式在伦理审核方面的要求很严格，仅有患癫痫、高位截瘫等疾病的患者被允许植入，这也是出于对患者负责的态度所必须的，”这名脑机接口领域研究人员表示：“但随着技术发展，未来更多疾病类型的患者将会因脑机接口而受益。”
未来，随着技术的不断升级，脑机接口还可以使用外部干预，来降低焦虑、抑郁、恐惧和疼痛；还可以通过安装外部视觉，直接让外部视觉信号插入大脑视觉皮层，让因眼部损伤而导致视网膜损伤或失明的人重见“光明”。
△国外一种用于深度脑部刺激治疗的类似起搏器的设备样本，其电极被植入大脑的特定部位，可为抑郁症患者装上“情绪开关”。
工业
“工业领域是除医疗领域外，目前应用最广泛的一个领域。”北京华脑技术发展有限公司创始人唐再汐表示，像采矿、基建、石油石化、电网建设等都可以应用，以提高施工安全性和效率。
“我们使用的是干电极，无需涂导电膏。我们通过自研的自动滤波器，解决了噪音识别处理问题。”唐再汐介绍，把脑机接口硬件嵌入到日常的安全帽里，作业时可以通过这个安全帽进行预警和干预，实时对精细化操作的工人进行状态分析，根据其状态给予及时干预，避免由于状态不佳出现操作失误，造成重大损失；另外，通过对工人身体状况进行实时监测，避免其身体状态急剧下降出现伤亡。“目前，我国高原建设施工、地铁施工，像北京的13号线延长线，重庆、广州的地铁建设，都用到了脑机接口这个功能。”
△脑机接口智能监控平台
脑机接口在开矿方面的应用也将在一定程度上降低矿难的发生。“未来，像矿山这种高危场景，将是脑机接口工业领域应用的一个主战场。”
此外，驾驶领域也将被惠及。“像危化品运输、长途客运等，一旦出事，就会造成严重的群死群伤。”唐再汐解释道，脑机接口可以对司机状态进行实时识别，以及预警干预，“我们会在出现风险隐患时，就提前通知到人。”
△重载矿车司机驾驶状态监测
学习
脑机接口能够帮助我们提高学习效率吗？上述脑机接口领域研究人员对此给予了肯定：“尽管目前还没有广泛应用，但将脑机接口用于发掘人脑潜力是值得期待的。”
“目前来看，脑机接口对于运动员的专注力训练是很有效。会用到一种经颅电刺激法来增强运动员的表现，听说美国 NBA球员训练就是用的这个方法。”
“我们大胆地想，如果脑机接口发展到很厉害的阶段，人不读书也能学到很多知识了。只需要把书本内容直接‘写入’到相应的大脑皮层，就都记住了。”该研究人员笑说，类似机器猫中的记忆面包，吃一片面包上印的内容就全都会了，“要真能实现，就很有意思了，到时候比拼的就是大脑中芯片的内存大小了。”
2019年学术期刊Science上发表了一个有趣的研究。小鸟唱歌是要向父母学习才能习得的，如果一只小鸟从出生没有听过父母唱歌，那它的唱法跟其他鸟就不一样，就无法和其他鸟交流。该研究找了一只从出生就没跟其他鸟接触的小鸟，然后通过技术手段往小鸟脑子中“写入”了一段其他鸟唱歌的旋律，这只小鸟通过“写入”的歌，也能跟其他鸟交流。
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心灵感应可以实现吗？
那我们在科幻电影中看到的一些场景——
用人的意念操纵另一个星球上的化身；穿戴好设备，在游戏中身临其境般畅游，并触感真实；人和人不用说话，通过心灵感应直接交流……
可以实现吗？
“这些还是太科幻了，我们离这一天还有非常漫长的路要走。目前，由于人类对大脑的认知水平和科技水平的局限性，并不能做到这种程度。”这名脑机接口领域研究人员解释称，对人类大脑的解码非常难，语义解码更是难上加难。该研究人员表示，目前人们对于脑机接口设备的发展通常有一个明确目标，或者至少在运动控制层面有具体目标，比如要抬起机械手去拿杯水等。
时至今日，我们还不知道如果想读取思想而不只是关注运动，应该把脑机接口放在哪，要放多少，又该如何避免脑子里贴满电极。
很多人梦想，脑机接口可以成为普通人可以使用的技术，成为由我们思维控制的重要辅助设备，像使用手机、电脑一样方便。
“目前看，我们健康人使用的场景最多还是打游戏，主要是靠脑机接口增强人的认知和感官能力，来实现游戏控制。”该研究人员补充说，但由于绝大部分非侵入设备目前比较笨拙，需使用导电膏，打游戏体验并不好。“未来如果干电极领域，即不需另涂导电膏，能有重大突破，实现戴上就能用，当然成本也要降低，那时候，日常应用可能就会多起来。”
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安全性究竟几何？
说了这么多应用场景，如果没有强大的安全性作保障，脑机接口不可能实现大范围应用。
脑机接口目前的安全性究竟怎样呢？上述脑机接口领域研究人员对此表示：“虽然脑机接口的安全性正在逐步提高，但离大规模、安全的应用还有一段距离。”
一是硬件安全性提升问题。目前植入式脑机接口仍没办法解决排异反应问题。“生物相容性上仍存在巨大挑战。如何能让电极植入后，排异反应降到最低甚至没有，相关材料需要再花大量时间去研究解决。”
另一方面，以目前医疗水平植入手术能确保基本没有问题，但植入后的长期安全性尚无法保证。目前的临床试验数据表明，脑机接口在小规模应用中是安全的，但大规模应用还需进一步验证。这包括术前评估、术中精确操作以及术后的恢复和监控。
“隐私问题也不可忽视。”唐再汐表示，脑机接口会读取大脑信号，涉及个人隐私数据，“就像手机里的隐私数据一样，脑机接口的数据也须防止被攻击和泄露。”这需多层次的安全防护措施，还需要制定严格的隐私政策和法律法规，确保用户数据不被滥用，我国相关的行业政策对此已有涉及。“但目前，脑机接口尚处于早期，应用基本在医疗领域，主要需确保病人信息不被泄露。”
“总的来说，脑机接口目前都还在测试阶段，离真正安全无忧的‘全民普及’还有一些路要走。”这名研究人员表示，随着技术进步和更多临床数据的积累，我们有理由相信脑机接口会越来越安全，并最终广泛应用于医疗、教育和生活的各个方面。
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瓶颈与发展
虽然脑机接口设备技术路径和愿景明确，但它目前发展面临一个很大瓶颈——人类对大脑的认知非常有限。可以说，目前脑机接口应用层面的技术在“知其然”维度上发展，而在“知其所以然”层面却还处于迷雾中。截至目前，仍没有人能解释电信号和化学信号在神经元之间的传递是如何导致人们产生感觉、情感和决策的。
“人类对大脑的解码还太少，目前的已知领域是靠一百多年的积累得出的，因为研究本身就有很高难度。单是拿到数据这一步就很难：实验对象不好找，实现规模化研究有一定难度。”
这名脑机接口领域研究人员补充道，如何解读“大脑密码”，并翻译为机器能够读懂的数据流，是目前脑机接口应用所面临的一个巨大挑战。“采集到的脑电信号就像天书，不研究都不知道代表什么，想要在外接设备形成机械力，不管是电动开关窗帘还是其他，都需要转成机器能听懂的编码。”
另外一个瓶颈，有点出乎意料，不是芯片，而是装电子器件等设备的“小盒子”如何既要密封又要连通。
“植入身体的设备中包含电子器件，这些不能和人体直接接触，需封起来，既要留口传输电子信号，又要防止大脑中的液体进入，这非常难。其中一个关键器件叫馈通。”该研究人员表示，现在这个只能靠进口，“据我所知，该器件符合植入标准的仅有一家海外公司能够生产，业内有人曾购买过一批，回来后检测发现不合格，人家就直接耍赖：就这个爱要不要。卡得你非常难受。”据介绍，目前国内已有团队寻找国内厂商，看看其能否投入研发把东西做出来。
对于脑机接口盈利问题，专家们直言：还在砸钱中。
脑机接口作为新兴技术产业，有着巨大的发展潜力。但相关产业如何高质量发展，是来脑机接面临的挑战之一。
“整个脑机接口产业目前尚在投入期。”唐再汐指出，其实技术研发还是要和市场需求相结合，形成一个良性循环。“像我们企业的研究跟市场是紧密绑定的，我们是在商用化的过程当中做研究，用市场力量带动工业脑机接口的健康发展。”
上述研究人员表示，我们无法既做研发，又去生产设备，“科研机构和产业的结合，可以避免研发走弯路，减少研发时间”，除了产学研紧密联动外，产业中的各个领域的开放共享也会加速相关产业的发展。比如上面提到的装电极的“小盒子”，该研究人员表示更希望把它做成通用平台：科研单位用来科研，医院用来做治疗，同时生产相关设备的上下游也能从中获利。
未来脑机接口会像手机、笔记本电脑一样融入我们的生活吗，能实现人机共存吗？
“可能二十年前，我们还在讨论，人应不应该天天用手机，但今天手机已经是我们必不可缺的一部分了。而脑机接口现在就正处于被广泛讨论的阶段。”这名脑机接口领域研究人员说，目前看，它给正常人的利是小于弊的，一方面需要开颅植入或穿戴非常不方便的设备，另一方面，能实现的功能尚少。“但当脑机接口安全性极强，便捷性极高，功能甚至比正常人的功能强很多的时候，事情就会发生变化了。”
监制/李浙 主编/王兴栋
撰稿/史萌 校对/高少卓