在科幻電影中，經(jīng)常有這樣的場景——殘疾人可以用機械臂自如地彈唱，失語者可以重新“開口說話”，失聰者能再次聽到聲音，人類依靠“意念”指揮著龐大的機械……其實，這些神奇的場景并不僅僅是科幻想象，現(xiàn)實中，不斷發(fā)展的“腦機接口技術(shù)”正是要在將來讓這些變成現(xiàn)實。

　　人腦思維的擴展

　　腦機接口，顧名思義，就是大腦和計算機之間的接口，指大腦與計算機的直接連接。一方面大腦要發(fā)出指令實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制；另一方面外部設(shè)備也要不斷地給大腦發(fā)送各種各樣的反饋信息，讓大腦及時調(diào)整控制策略，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個典型的腦機接口系統(tǒng)包括三個部分：信號采集、信號分析和設(shè)備控制。腦機接口系統(tǒng)可以根據(jù)腦信號采集的方式，分為侵入式和非侵入式腦機接口；也可以根據(jù)腦機接口范式/感覺刺激/采用的信號進行分類，可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機接口和混合腦機接口。

　　腦機接口的發(fā)展源于人類擴展大腦智能的渴望。在可預見的將來，人類智能將與機器智能協(xié)同工作。機器的存儲和運算能力，配合人腦的思維與創(chuàng)新能力，將以腦機協(xié)同的形式開創(chuàng)一個新的未來。

　　1924年，德國醫(yī)生漢斯·貝格爾首次發(fā)現(xiàn)并無創(chuàng)記錄腦電信號，開啟了人們對大腦與腦機接口的探索。時至今日，近百年的時間里，腦機接口取得了飛速的發(fā)展，已被應用于醫(yī)療健康、狀態(tài)檢測、智能生活、國防安全等眾多場景，被美國、歐盟、日本、韓國等眾多發(fā)達經(jīng)濟體視作戰(zhàn)略級科技。據(jù)麥肯錫咨詢公司預測，未來10到20年，全球腦機接口產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生最多2000億美元的經(jīng)濟價值。

　　美國早在1989年就率先提出全國性的腦科學計劃，并把20世紀最后10年命名為“腦的10年”，他們還在2013年提出被認為可與人類基因組計劃相媲美的“腦計劃”，旨在探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖、推動神經(jīng)科學研究、針對目前無法治愈的大腦疾病開發(fā)新療法。

　　1991年，歐洲出臺“歐洲腦10年”計劃。2013年1月，歐盟委員會宣布人腦工程入選“未來新興旗艦技術(shù)項目”，并設(shè)立專項研發(fā)計劃“人類大腦計劃”，可在10年內(nèi)（2013年至2023年）獲得10億歐元經(jīng)費。日本腦/思維計劃（通過用于疾病研究的集成神經(jīng)技術(shù)繪制腦圖），于2014年6月啟動，計劃開發(fā)腦圖繪制技術(shù)，并繪制人類腦圖譜。該項目在10年內(nèi)受到共400億日元的資助。

　　我國也高度重視腦機接口技術(shù)發(fā)展，已將“腦科學和類腦研究”列入國家重大科技創(chuàng)新和工程項目。中國科學院也于2022年初成立腦科學和智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心。2023年2月，中國腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，將積極發(fā)揮政產(chǎn)學研用橋梁紐帶作用，為我國腦機接口、腦機交互、腦機智能領(lǐng)域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強跨領(lǐng)域與行業(yè)交流，推動技術(shù)創(chuàng)新與應用探索，開展標準和測試研究，培育和構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，以便更好地支撐我國經(jīng)濟、科技和社會發(fā)展。

　　腦機接口走向生活

　　早在20多年前，清華大學就對于無創(chuàng)腦機接口進行了研究。當時，航天員上天之前，都需要進行耐力方面的特殊訓練，目的是使受訓者在接受轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)、失重和超重等刺激時，不會發(fā)生眩暈和錯覺癥狀。在太空環(huán)境適應訓練中，航天員訓練最多的是離心機，因為離心機高強度的刺激環(huán)境，在訓練中人常常會來不及喊停便陷入眩暈。來自清華大學的團隊負責在離心機實驗環(huán)境中檢測受訓人的大腦意識狀態(tài)，通過腦機接口系統(tǒng)分辨出受訓人是否清醒。這種基于腦電狀態(tài)來評價人的精神狀態(tài)，并基于用戶需求給予特定反饋的技術(shù)，形成了多類應用——開發(fā)更為輕便的可穿戴設(shè)備，應用在冥想、放松、睡眠等健康場景以及專注力、智能玩具、藝術(shù)裝置等教育或消費類場景中。

　　2006年，美國布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設(shè)備植入手術(shù)，四肢癱瘓的病人能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務。2012年，腦機接口設(shè)備已能夠勝任更復雜和廣泛的操作，國外有團隊為一位癱瘓女士植入了96個電極的腦機接口設(shè)備，讓這位女士用大腦操控機械臂實現(xiàn)自己喝水、吃飯、打字、與人交流等。2014年巴西足球世界杯開幕式，高位截癱青年朱利亞諾·皮諾特在腦機接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開出一球。近十幾年來，腦機接口不斷接近了人們過去在科幻作品中看到的未來形象。

　　國內(nèi)的腦機接口應用醫(yī)療健康研究也如雨后春筍般興起。值得關(guān)注的是，2018年，清華大學腦機接口團隊為一位漸凍癥患者設(shè)計了一套中文輸入的視覺腦機接口系統(tǒng)，幫助這位漸凍癥患者完成腦控打字的任務。迄今為止，這套全國產(chǎn)化高舒適度高速人機交互新模式系統(tǒng)，仍牢牢保持高速率腦機接口技術(shù)世界第一的紀錄。

　　這套系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)開發(fā)，其原理是通過一定頻率閃爍的目標對實驗者的眼睛進行刺激，再根據(jù)大腦視皮層響應的特定腦電信號來判斷實驗者看到的是哪個閃爍頻率的信號，進而通過腦電算法解碼成相應的操作指令。在腦機接口的研究范式中，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)具有短交互、高準確度、安全性高、應用面廣等優(yōu)勢。如今，這一技術(shù)已經(jīng)在車載、醫(yī)療、智能裝備、元宇宙等與國民經(jīng)濟息息相關(guān)的重要行業(yè)走向應用。

　　殘障人士的醫(yī)療輔助與康復也是腦機接口的重要應用方向，在智能仿生手領(lǐng)域，國內(nèi)專家已開發(fā)出腦機接口手功能康復訓練系統(tǒng)，通過與人工智能算法高度整合，將腦機接口與外骨骼機器人有機結(jié)合，通過采集、處理人體腦電神經(jīng)信號實現(xiàn)動作控制。使用者可通過“意念”控制外骨骼機械手，帶動癱瘓手部進行訓練，也可做出各種復雜動作，幫助使用者實現(xiàn)肢體康復訓練。這項應用對運動技能衰退的中老年人、腦血栓引起的運動障礙、中樞及外圍神經(jīng)病變患者、斷肢移植、皮膚移植造成的感覺功能障礙等人員具有很好的前景，可幫助患者重獲對軀體的掌控，自信面對生活。

　　在數(shù)字世界與現(xiàn)實世界無縫切換

　　基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)的元宇宙級交互體驗系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的手柄、手勢、語音、眼動等交互手段，腦機接口可以不依賴于肌肉和外周神經(jīng)直接與外部設(shè)備與環(huán)境建立交互，且更具沉浸感，可解放雙手，通過腦電信號實現(xiàn)“所見即所得”。元宇宙的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，物理世界的更多行為、動作可以通過編碼接入數(shù)字世界，不僅會重塑交互，更會深刻影響人們感知、回應、掌控事物的方式，加強人在虛擬世界的真實感官體驗，在數(shù)字世界和現(xiàn)實世界持續(xù)、無縫地切換。

　　作為一項應用前景廣泛的高新技術(shù)，腦機接口的技術(shù)發(fā)展除了需要加強政策及標準制定、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)應用、多方協(xié)同等之外，還需要依托全面科普為這一前沿科技注入動能。科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，青少年是人才的儲備力量，更是社會進步的希望所在，青少年對科學技術(shù)的掌握程度往往決定一個地區(qū)的創(chuàng)新力、一個社會的發(fā)展力和一個國家的競爭力。因此，加強青少年腦機接口科普教育工作，對培養(yǎng)一代懂科學、愛科學、用科學的優(yōu)秀青少年群體、建設(shè)腦機接口后備人才隊伍尤為重要。

　　在世界機器人大賽中，已增設(shè)了一項腦機接口的專業(yè)賽事——BCI腦控機器人大賽，就是一項推進技術(shù)創(chuàng)新突破，推動腦機接口技術(shù)與各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)交流合作，滿足人們對醫(yī)療、養(yǎng)老、康復等多樣化的民生需求，實現(xiàn)該領(lǐng)域與各行業(yè)的跨越融合發(fā)展的賽事。該賽事還推動前沿科技向青少年普及。例如，“腦力小巨人”比賽，將腦電生物反饋做到了比賽項目中，讓孩子們體驗前沿的腦機接口技術(shù)，學習多科學融合的技術(shù)知識，提升綜合素養(yǎng)。

　　在漫長的歷史進程中，人類已經(jīng)一次次成功地獲得了這些改變世界的技術(shù)。可以樂觀地看到，未來，人類能夠成功將腦機接口技術(shù)融合進生活、賦能產(chǎn)業(yè)，助力國民經(jīng)濟發(fā)展，提升大眾幸福感。

　　　　（作者：高小榕，系清華大學醫(yī)學院教授）