无论是闯入黑客帝国还是成为《阿凡达》中的 Na'avi，将大脑与计算机连接起来都是科幻小说中的比喻，我从未想过会成为现实。但 BCI（脑机接口）已逐渐成为研究实验室的一个重要研究领域，迅速从研究实验室发展到真正的人体试验——也许最著名的是埃隆·马斯克的公司 Neuralink。
虽然这为残疾人提供了更大程度的自由和控制，以及在游戏和医疗保健方面的潜在应用，但仍然存在重大的技术、道德和监管挑战。但我越深入研究这个话题，我就越发现领导者和研究人员挺身而出，负责任地带领我们进入这项突破性技术的未来。
什么是脑机接口？
让我们从头开始吧。简而言之，脑机接口是弥合大脑模拟电信号和外部数字机器之间差距的设备，本质上是进行转换。
《Brain Inform 》杂志 2023 年的一项研究表明：“BCI 绕过了不同任务（例如视觉、运动和语音）的传统通信渠道，将大脑的电活动与外部世界联系起来，以增强人类与物理环境交互的能力”读。 “BCI 提供了一种非肌肉通信通道，有助于采集、操纵、分析和翻译大脑信号，以控制外部设备或应用程序。”
早期 BCI 的发展实际上始于 1920 年代，当时脑电图 (EEG) 出现，这是一种使用电极放大然后测量大脑电活动的测试。然而，现代脑机接口在 20 世纪 70 年代通过加州大学洛杉矶分校 Jacques Vidal 博士的工作以及美国国家科学基金会和 DARPA 的资助而发展起来。他也是第一个创造“脑机接口”一词的研究人员。
在过去的半个世纪中，脑机接口已在各种临床应用中得到应用，从绘制大脑内部运作图到增强人类认知和运动技能。脑机接口甚至被用来恢复遭受损伤和疾病（例如 ALS 或脑干中风）的患者的身体活动能力，或者“锁定”患者（认知完好但没有有用的肌肉功能）的患者。
其潜力令人难以置信，但正如您可能想象的那样，这项技术的研究人员必须直面一些看似无法克服的挑战。
非侵入式脑机接口
您可能会认为所有现代脑机接口都涉及脑部手术，但该技术实际上有多种形式，具体取决于设备距离用户灰质的距离。我们都熟悉一些完全非侵入性的类型，例如脑电图和核磁共振成像，它们只是监测和记录大脑活动。然后，还有所谓的“部分侵入式”血管内脑电图，它使用导管将电极输送到大脑中，而不需要开颅手术。
非侵入性脑机接口通过患者的头骨和头皮接收大脑的电脉冲，并将其直接传输到外部设备。虽然这听起来很吸引人，因为它不需要进行脑部手术，但这项技术充满了挑战。
例如，外部佩戴脑机接口的最大问题之一是信噪比低。这意味着接收到的电脉冲经常受到头骨和头皮的干扰，从而难以准确解码大脑信号。大脑复杂的神经模式使解码这些信号变得更加复杂，这需要复杂的算法和大量的计算资源才能可靠地解释。
我与密歇根大学直接脑接口实验室主任Jane Huggins 博士进行了交谈，以进一步了解当今脑机接口所面临的挑战。
“让我们列出一份影响你大脑活动的事情的清单……好吧，也许让我们列出一份不会影响你的大脑活动的事情，因为这样的清单会更短，”哈金斯打趣道。 “从患者当前看到的东西到房间里的光量，再到他们刚刚吃的午餐，再到他们的情绪状态，所有这些都会影响信号的幅度和正在发生的事情的复杂性。很难选出你需要的部分。”
同时，在舒适性和可用性方面，由于电极和耳机体积庞大，非侵入式脑机接口长时间佩戴可能会不舒服。
这就是为什么侵入性大脑植入的想法已经成为这项技术的未来发展方向，这个未来在 2024 年以前所未有的方式出现。
直接进入大脑
植入式脑机接口直接从芯片所在的大脑物质获取脉冲，并将其转化为命令。然后，它将这些命令信号无线中继到外部设备，由外部设备执行这些信号。
哈金斯博士认为，尽管有些人总是对在大脑中植入设备的想法感到不安，但从长远来看，这是最方便的选择。
“人们倾向于将植入式脑机接口称为‘侵入性’，”她告诉我。 “如果要植入脑机接口，当然需要进行手术，这可能是一次相当戏剧性的手术。”另一方面，哈金斯将其比作她自己几年前接受的人工髋关节手术。侵入性手术？是的。但在日常生活中，它们可能会被完全遗忘。
其一，植入式脑机接口不需要日常操作所需的 10 到 20 分钟的设置。它们也不像外部 BCI 那样需要充电和清洁。哈金斯认为，未来的脑机接口设备可以兼具外部佩戴和植入式脑机接口的优点，类似于当今人工耳蜗的运作方式。
“如果你可以将这些脑电图电极植入头皮下，你就不必每天戴上和摘下它们，而且它们将是隐形的。”
此外，该技术的基础知识存在的时间比您想象的要长。自第一个神经假体安装在人类身上以来已经过去了几十年，并且该领域仍在快速扩展。
这使我们取得了今天的成就，第一批患者接受了这些植入芯片。经过六年的研究并于 2023 年获得 FDA 批准，Neuralink 启动了其首款植入芯片的临床试验，并于 2024 年 1 月完成了第一位患者的手术。
仅仅几个月后，Neuralink 就发布了更新，显示患者仅用大脑控制笔记本电脑在线玩游戏，他将其比作“在光标上使用原力”。
目前，Neuralink 的 BCI 试验已经找到了第二名患者，而第一名患者已经从下棋变成了玩《文明 VI》 。
Neuralink 因其高调的创始人而成为众人瞩目的焦点，但它并不是唯一一家这样做的公司。纽约布鲁克林的 Synchron 正在开发一种可以安全植入大脑血管的设备，去年开始了六名患者的临床试验。 BrainGate 是一家由美国各地大学联合而成的研究团队，于 2021 年植入了世界上第一个无线高带宽 BCI。另一方面， Blackrock Neurotech总部位于犹他州盐湖城，一直在用其犹他州对 BCI 进行了二十多年的分析，当时 FDA 报告的“严重不良事件”为零。
在这些应用中，设备使用户能够有效绕过受损和无反应的肢体，直接用意念控制外部设备并进行活动，而不依赖于健康人，显着提高了他们的生活质量。该技术已经彻底改变了许多研究领域，包括 娱乐和游戏、 工业自动化、教育和神经营销学。
持续的挑战
虽然植入式脑机接口感觉像是该领域的未来，但它们确实也面临着自己的挑战。例如，即使植入式脑机接口能够提供更高质量的信号，长期稳定性仍然是一个问题。这些设备可能会因生物组织反应或机械故障而随着时间的推移而退化，从而限制其连续应用的可用性和使用寿命。
植入式脑机接口也无法克服所需的所有训练和校准的障碍，这对脑机接口技术构成了重大挑战。正如哈金斯博士解释的那样，用户通常需要大量的练习才能有效地控制这些设备，这使得这个过程既耗时又有时令人沮丧。
Neuralink 正在开发一款应用程序来帮助完成这一过程，帮助患者训练他们的思维以更好地控制数字设备，该应用程序已经在猴子身上进行了测试。
除了便利性和成本之外，该技术的道德和隐私后果对 BCI 的进一步发展构成了重大挑战。脑机接口生成的数据（我们的情绪、意图和想法）本质上是个人的，因此增加了此类数据可能被无意收集和滥用的风险。
BCI 的采用还带来了自主权、同意和可访问性方面的问题。如何阻止某人在违背自己意愿或未完全了解其后果的情况下被迫使用 BCI？
哈金斯说：“我认为没有什么比有人为你决定你想要植入脑机接口并将其提供给你更可怕的了。” “而且你不能对正在发生的事情提出任何问题或表达你的意见。”
利用人工智能和机器学习系统来帮助 BCI 患者也是如此。 “我们可以将人工智能和脑机接口的许多功能结合起来，但这确实会引发你在任何类型的共享和控制中遇到的同样类型的问题：谁在决定？会说什么？”
“这又回到了我们之前讨论的有关自决的道德问题。如果有人的能力正在恶化（例如 ALS 患者），是否存在平衡？这种平衡会随着时间的推移而改变吗？或者我会放弃并开始让人工智能自动完成我的句子吗？”
这些都是对未来的严重担忧，即使我们距离真正需要面对它们还有很长的路要走。
“你知道，我只能以 90% 的准确率来识别它，如果天气好的时候，也许可以达到 95% 的准确率。在糟糕的一天，好吧，你可以在糟糕的一天尽可能低地走下去。但那是一个主动、自愿地尝试传达信息的人。”
哈金斯指出，要消除 BCI 未来面临的最大挑战之一：恐惧和误解。
“这让很多人感到害怕，”哈金斯承认。 “有一次有人问我政府是否可以通过卫星读取他们的想法。我当时想，‘好吧，你知道，当有人坐在我的实验室里让我戴上耳机并积极尝试注意键盘上的某个按键时，我很难得到正确的答案。不要担心人们从卫星上读取你的想法。”
展望 BCI 更美好的未来
当然，BCI 研究人员在将这项革命性技术带给公众时面临着相当大的挑战，其中最重要的挑战可能就是管理期望。哈金斯指出，她从事植入研究的同事们要经历一个非常严格的过程，以确保这些研究的参与者了解该计划是什么，并对好处和风险有现实的了解。
这些同样的礼遇很少延伸到普通公众，他们受到 心灵感应交流、完美记忆和回忆、甚至人类和机器人思想融合的梦幻般承诺的轰炸。
至于 BCI 在我们有生之年的发展方向，哈金斯承认，需要降低期望才能真正看到进展。
“我认为会有一些可用的东西，我只是认为它不会辜负所有的炒作。这会改变期望。人们需要有现实的期望，并了解这是一项新技术。我们仍在了解它是如何工作的、为什么有效、什么时候有效、什么时候不起作用、它需要什么样的支持，以及有多少地方能够提供它。”
所以，在可预见的将来，我们可能不会经历“哇，我懂功夫”的时刻。但这并不是说下一代不会。我们可能还有很长的路要走，但这些未来体验的基础今天正在构建——这就是令人兴奋的理由。