脑机接口技术-Brain Computer Interface

芯片植入主宰大脑 人类生活将大变
作者：薛斐
许多支持大脑芯片植入的相关技术已经成熟，目前的目标是使这些日趋成熟的技术用更微小且可以无线遥控的方式运作。

请你想象这样一幅场景——一位瘫坐在轮椅中的少女正在用自己的意念控制轮椅: 先向左转，然后径直往前走……这可不是幻想，而是在美国克利夫兰市进行的一次大脑芯片植入技术演示。这位瘫痪女士的大脑中负责手部运动的神经被植入了一个微小的传感器，负责来解读她的意念。在她耳朵上方伸出了一个插销，通过电缆与一台计算机相连，通过无线遥控接口控制着轮椅的动作。对于全身瘫痪的人来说，这项技术有可能完全改变他们的生活。

主持这项演示的Cyberkinetics公司表示，这项技术有可能在2010年之前实现商业化。更有人预言，大脑植入无线芯片的实用化产品将会在2007年下半年取得引人注目的突破。事实上，许多支持大脑芯片植入的相关技术已经成熟，目前的目标是使这些日趋成熟的技术用更微小且可以通过无线遥控的方式运作。

神经元电子激励

电子激励可以加强神经元之间的联系，这种现象人们早就有所认识。在医学上有一种现象称为神经可塑性（Neuroplasticity），意思是说大脑神经在受到创伤之后具有一定的自我恢复的能力——如果大脑的某一部位受到损害，其他部分就会试图接管原本由受创部位负责的工作。只是这种接管过程非常缓慢，而且常常是很不完整的。科学实验发现，如果对脑神经进行某种电子激励，神经可塑性就会得到显著增强。已有科学家研究出相关的技术，可以首先设法找到脑神经受创的部位，然后在这里植入一些电极，通过适当的电子激励，可以帮助脑神经受到创伤的人恢复受创部位的机能。

多年前，医生们就开始在帕金森等引发严重颤抖的疾病患者脑中植入脑电波起搏器，例如，Medtronic公司制造一种跟手表差不多大小的装置，可以植入病人的胸腔之中，再以某种方式与大脑神经连接起来，用来抑制引发肢体颤抖的电子激励信号，这种技术称为深度脑刺激，也有专家在测试其对于强迫性官能症、忧郁症和肥胖症的有效性。专家们相信，用电子信号去刺激神经系统的某些部位，也就是神经元电子激励技术，很快就可以用来帮助人们克服偏头痛、睡眠中呼吸停止、失禁、心理衰竭等疑难病症。

脑机接口技术

大脑是一个复杂的组织系统，包括数十亿个神经元和多种感官信息传递机制，通过密切协调才能控制人或动物的思维和行为。精确制造的传感器可以与大脑的神经系统的某个部分建立稳定、可靠的联系，从而帮助人们研究大脑的功能机制，也可以帮助神经麻痹或者受损的病人完全或者部分地康复。脑机接口 (BCI,Brain Computer Interface;或BMI, Brain Machine Interface)就是为了这种目的而设计的生物电子传感器。

要把人造的装置植入大脑，这可不是一件容易的事情。事实上，BCI也分为全植入式、部分植入式和非植入式三类。

全植入式BCI需要通过神经外科手术将电子装置直接放入中枢神经的灰白质之中。由于直接接触灰白质，这种装置可以获得最精确的大脑神经信号，但也可能因为人体的排异反应和头骨的阻挡而影响信号质量。

半植入式BCI是把植入装置安放在大脑头骨之内、灰白质之外的区域，而不是埋入灰白质之中。这样做的好处是降低了对脑神经造成损伤的风险，而神经信号也不会受到头骨的阻挡。

非植入式BCI具有安装佩戴简便的好处，但是从大脑神经元发射出来的信号经过头骨的衰减，再加上外界的干扰信号，都会使这种方式获得的神经信号质量很差，也不容易确定是由大脑的哪部分神经组织发出的信号。

耳蜗植入装置是目前常用的BCI。据统计，截至2006年全球已经有大约10万人接受了这种装置。

最初的试验当然是从动物开始。在上世纪八十年代，Johns Hopkins大学的科学家就已掌握了猕猴手臂运动方向与单个皮层运动神经元的电学相关性，但由于所用实验设备的计算能力所限，无法记录大量神经元的反应。上世纪九十年代中期是BCI的高速发展时期，好几个研究小组都利用并行计算技术来捕捉复杂的脑部运动神经中枢信号，并用这些信号去控制一些外部装置的动作。

猴子是肢体最为敏捷的动物，常常被科学家用来实验与肢体动作有关的神经反应。例如，有科学家通过BCI获取和解读猴脑神经的运动信息，再用这些信号驱动机器人手臂，以此复制猴子的动作。近几年，有科学研究小组在带有BCI的猴子面前摆放食物或者游戏操纵杆，而这个BCI又与一部机器人手臂相连。这样，机器人手臂就可以根据猴子大脑的信号做出抓取食物或者操作游戏杆的动作。

改善人类的生活

第一个直接植入人类大脑的视觉辅助装置产生于1978年。这是一个带有68个电极的阵列，被植入一位成年的后天失明者，成功地使这位患者产生光感。除了植入大脑的电极阵列，这套设备还包括一个安装在眼镜上的电视摄像机，负责向植入大脑的BCI传送视觉信号。遗憾的是，由于当时的计算机技术条件，与这套系统配套的是一台巨型计算机，重量达到2吨。

随着电子设备的微型化，近期推出的类似产品，已经可以让失明者的行动不那么受到限制了。到2002年，已经有人可以购买商品化的产品，不仅使原本完全失明的人通过接受植入手术而恢复一定的视力，甚至有人可以驾驶着小汽车在科研所旁边的停车场里缓缓地兜圈子。

用于辅助运动神经系统的BCI可以帮助瘫痪者操作计算机或者机器手臂。本文开头所描述的情景，就是采用了 Cyberkinetics公司的BrainGate大脑植入芯片，其中包括96个电极，可以探测到瘫痪者的运动神经活动，并根据搜集到的神经活动信号驱动机器手臂、轮椅、计算机光标以及电视按键或者照明设备的开关。

Cortex Gaming公司开发了一种非植入式BCI，看上去就像是一条头饰带，使用者由此可以操作计算机。这种装置原来的目标是操作游戏机，但是后来被用于帮助残疾人通过计算机与外界沟通，当然也可以直接操作计算机。不为人知的是，这种技术最初是用于美国空军的武器装备系统。测试表明，与传统的手动按键相比，这种装置可以将军用飞机驾驶员的操作反应速度提升15%。

潜在应用引发关注

大多数科学家都希望从善意的角度去看待技术的进步，例如希望对动物与周围环境的互动方式有更进一步的了解，也希望由此加速瘫痪病人康复领域的研究。但是大脑芯片植入技术的军事应用是不容回避的——如果可以对鲨鱼的行动进行遥控，就可以把它变成不会暴露目标的海底间谍，用来跟踪各类舰艇。

由美国五角大楼赞助的一群工程师已研究成功一种用于植入鲨鱼脑部的装置，可以影响鲨鱼的行动，他们甚至希望通过这个装置来解读鲨鱼的“思想”。在冷战时期美国和苏联都曾经训练海豚和鲸鱼等海洋哺乳动物来执行一些准军事任务，但鲨鱼脑植入装置才是鱼类进入军事领域的真正开始。鲨鱼可在水中静悄悄地快速行动，而且对特定的电波十分敏感，可以跟踪一些化学成分，而五角大楼方面则希望这些能力可以充分地应用于军事目的。

据美国New Scientist杂志报道，这种脑植入装置主要是一些埋藏在鲨鱼脑部的电极，军方可以通过遥控装置发出信号，刺激鲨鱼中枢神经系统的某些特定部位，类似的装置也被用于其他的动物行为监测与控制实验。这些研究项目都得到美国国防先进技术研究计划署（DARPA）的支持。波士顿大学的科学家已可以在狗鲨大脑中的嗅觉神经部位植入芯片，进而影响其行为。如果把电刺激信号施加在其嗅觉神经中心的右边，狗鲨就会向右转; 刺激左边，狗鲨就会向左边游去。电刺激信号越强，狗鲨转弯就越急。另外，大脑植入芯片也被用来破译鲨鱼对于海洋流动和电场变化的反应模式。

BCI显然与社会伦理密切相关。也许是因为相关的研究主要都集中在辅助残障人士方面，而且已经报道的研究成果主要是采集脑神经信息，而不是带着某种目的去影响大脑，目前对于这个问题的争论并不激烈。

不过请注意，视觉辅助系统实际上用光学信息去刺激大脑视觉神经，而不是在采集脑神经信息。再者，这些技术既然可以用于弥补残障人士的缺憾，也就可以用来增强正常人或者正常动物的特定能力。利用这种装置，一只普通的鲨鱼就有可能拥有人的智能和政治立场。这样想起来，这种技术还真恐怖。

2007-01-16
转载自：http://www.ccw.com.cn/news2/tech/htm2007/20070116_235637.shtml