脑机接口：人工智能下一站？

随着人工智能的发展，脑机接口逐渐从科幻走向现实。有人希望借此创造出“超人”，更多的人希望解决实际问题——让盲人重见光明，让瘫痪的病人在床上重新行走，让老年痴呆症患者恢复从前的记忆...但也有人持怀疑态度:脑机接口会让别人控制自己的大脑吗？被人工智能增强过的人还能叫“人”吗？日前，由北京邮电大学教授杨逸仙、牛欣欣撰写的科普书《人工智能未来简史:基于脑机接口的超人制造愿景》全面、客观、系统地梳理了脑机接口的过去、现在和未来。本期邀请两位作者写文章简单介绍一下他们的脑机接口。

脑机接口并不是一个新名词。

脑机接口是大脑系统与计算机系统(准确地说是人工体外系统)之间的接口(电子信息接口)。

既然是接口，那么脑机接口的主要任务就是两个:一个是输出，即提取大脑系统的电信号，作为控制信号或脑电信息，让计算机系统做大脑系统想要它做的事情或理解大脑系统的思想(即猜心或心灵交流)；第二种是输入，即将计算机系统的指令以电信号的形式发送到神经系统，让大脑系统去做计算机系统希望它做的事情，或者将已有的知识或技能“下载”到大脑系统，让它“不用学也能学”。在遥远的未来，人们或许可以通过脑机接口交流思想。

简而言之，脑机接口的核心思想是，包括大脑在内的神经系统实际上是一个像计算机一样的信息系统。神经系统的各个部分不仅接收和传递信息，还接受电信号的控制来执行相关命令。因此，大脑系统可以与计算机系统连接。

脑机接口(Brain-computer interface，BCI)绝非新鲜事物，其悠久的历史可能超出了很多人的预料。早在1783年，加尔瓦尼就用不同的金属触碰一只死青蛙的大腿两端并引起肌肉收缩，实际上是无意中完成了一次脑机接口实验。这个实验不仅表明活的有机体是一个“发电机”，而且表明即使是非常微弱的电流也能引起神经的剧烈运动。

1818年11月，英国解剖学家尤尔在格拉斯大学的操场上公开做了一个恐怖实验，展示了电流刺激如何使神经系统产生预期的动作。原来，尤尔经过法庭特批，在一名死刑犯的身体上进行了通电实验，成功地使身体产生了呼吸、举手、踢腿、睁眼等动作，还表现出愤怒、恐惧、绝望、痛苦、恐怖、微笑等表情。当然，尤二并不是虐尸或者哗众取宠，而是试图让垂死的人复活——事实上，正是通过这个实验，尤二后来发明了心脏起搏电击法，沿用至今。

优尔从脑机接口的角度，首次证明了只要向局部神经系统输入适当的电信号，人体就会乖乖地执行相关命令。那么，理论上只要外力能改变相关的电信号，就能改变运动神经的相关动作，这就是脑机接口可以治疗帕金森病的理论基础。如果推广开来，任何人都可以很快成为世界第二钢琴家——只需将第一钢琴家弹琴时的手臂运动神经信号原封不动地输入其手臂相应的运动神经，双手就会不由自主地弹出优美的曲调。同时双手的感觉信息会反馈到大脑，让大脑逐渐学会如何向手臂发出正确的指令。这相当于钢琴大师用最准确的重复方式教人手拉手弹钢琴。

脑电波的神奇功能

1902年11月，在德国耶拿的一家精神病院，一位特别大胆的医生伯格治疗了一位头部被击中并在颅骨上留下一个弹孔的病人。伤者弹孔处的皮肤虽已愈合，但仍可观察到继续跳动。通过记录头皮跳动的波形，伯格发现了一个令人震惊的秘密:波形会随着病人的思想有规律地变化。即使患者只是在听、看、闻、触摸或做其他微小的动作，即使患者的情绪波动也会影响波形。

经过20多年的思考，伯格博士于1924年成功地对他儿子的头部进行了脑电图测试。他把自制的电流计的正负两极分别接在儿子的额头和后脑勺的头皮上，结果真的记录到了一个振荡频率约为10 Hz的神奇电波，也就是现在所说的伯格波。他观察到，伯格波会随着受试者的心理和生理状况而发生变化，甚至眨眼等微小的动作都会使伯格波发生变化，而正常人和精神病人的伯格波是不同的。

后来科学家进一步发现，从头皮的不同部位可以检测到不同频率的电磁波，所以这些不同频率的电磁波的集合统称为脑电波。

随着研究的深入，人们发现脑电波有许多奇妙的功能。比如脑电波可以预测一个人的学习潜力，尤其是外语学习潜力。结果发现，如果大脑右颞叶和顶叶的β波较强，很可能说明受试者的外语学习能力较强；另一方面，接受过外语训练的成年人确实有显著增强的β波。

脑电波也可以用来“猜心”——当你给孩子讲一道数学题时，你怎么知道他是否在专心听讲？当孩子理解解释时，脑电波会明显活跃；如果他对解释感兴趣，他的脑电波会更活跃；他在刚应对的时候，脑电波会明显减弱。甚至，心理学家可以知道受试者在想的是桌子还是椅子，或者是1到7中的哪个数字——当受试者在沉思不同的事情时，他的脑电波是不同的。只要能获得受试者之前对应的脑电波，通过简单的对比就能准确猜出受试者的选择。在研究中还发现，对于一些特殊场景中的句子，很多人会激发出几乎相同的脑电波；相反，通过检测这种脑电波是否存在，可以推断出受试者是否在默念一句话。就这样，有人对多达240个预定句子完成了高准确率的“猜心”。

脑电波也可以用于简单的精神控制。发现大家在默念单音节单词的时候，脑电波几乎是不一样的，而且是相对稳定的。所以控制玩具车这种简单的意念控制更容易实现:当你默念前、后、左、右这四个单词时，脑电波是不一样的，每个单词对应的脑电波都是相对稳定的，所以你只需要用这四个稳定的脑电波信号来驱动玩具车前进、后退、左右。一般来说，如果某个操作的命令数量只限于N，那么任何人只需要简单的训练和简单的命令信号对应，就可以轻松完成精神控制的任务。

相反，对脑电波进行适当的干扰，也会对受试者产生影响。例如，当受试者面对“苹果”这个词时，他们可能会同时想到香甜可口的水果和苹果品牌的电子产品。如果及时使用一种叫做“经颅刺激”的技术来刺激受试者的美味反应区，那么受试者会更倾向于将“苹果”理解为美味的食物，即使他们原本想买一部手机。

从幻想到现实

如今，科学家发明了各种获取脑电波的装置。已经投入使用的非植入式设备主要针对健康人群，精度稍差，比如人们经常在电视上看到的电极帽，或者更贵的磁共振成像设备等。

近年来，科学家和工程师花费了大量的精力为特殊病人开发可植入设备。这种设备被称为脑机芯片或简称为脑机接口。可以获得更准确的脑电信息，更准确地将外部电信号输入大脑。事实上，早在1857年，植入式设备就被用来获取兔子和猴子的脑电波。但出于安全、伦理等方面的考虑，在人体临床上一直没有突破。然而，随着人工智能相关技术、工程技术和材料技术的快速发展，许多科学家又开始了这种尝试。比如马斯克即将推出的脑机接口，就是植入设备的典型代表。

如今，根据控制信息的准确性，学术界一致将BCI分为三类:宏观型、中观型和微观型。其中，宏观脑机接口传递的信息主要是脑电波。这种脑机接口的特点是:原理简单，容易理解；实现起来并不困难，在很多领域已经或正在广泛应用；精度不够，既不能实现复杂精确的思想控制，也不是未来思想交流的替代方案。

微观脑机接口是与宏观脑机接口相对的另一个极端，它们传递的信息主要是个体或群体神经元的电特性。它们将是未来研究的难点和重点，一旦实现，将极大地改变人类的现状，但我们也必须承认，在可预见的未来，这可能只是一个梦想。在我们的《人工智能未来简史》一书中，我们用四句话来描述微观的脑机接口:科幻小说不比科幻小说好，脑电图神秘莫测；自足不在于外延，内涵才是知识的关键。

介观的脑机接口介于宏观和微观之间。与宏观脑机接口相比，中观脑机接口用颅腔内的“脑图”，即与大脑中物理位置相关的一些电信号，代替了体外的宏观脑电波。多年来，科学家经过反复探测，获得了一些电信号。比如某个位置的神经受到刺激，受试者会有幸福感；刺激另一个位置，受试者会有指尖上的触感等。基于这种研究，科学家们不断绘制更详细的“脑图”。可以想象，只要能足够准确地得到某个时间的“脑图”，就能在一定程度上实时了解被摄对象的一些感受；同样，只要把握好电信号的刺激位置、时机和电流强度，受试者就能对肢体产生相应的感觉或发出相应的控制指令。

如今，科学家在介脑-计算机接口方面取得了突破。比如让盲人“看”东西。具体来说，就是让摄像头将图像切割成20×20的400个点，根据每个点的亮度，在皮肤相应的点位置产生相应强度的振动。因此，经过适当的训练，受试者可以在头脑中形成明暗不同的点阵图像，而不会出现“眼见为实”，从而可以在黑白图像中识别不同的面孔，知道物体的距离，观察物体的旋转和形状变化，知道当前的观察角度；甚至和普通人一样，可以通过想象“看见”一个物体被遮挡的部分。

脑机接口展现出无限可能，吸引着科学家们不懈努力攻关，也将是国际竞争的焦点。未来从今天开始。