从科幻到现实：我们离“心想事成”的世界还有多远？（下）

出品：科普中国

作者：钱昱（中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心）

监制：中国科普博览

你一定看过这样的魔术表演，魔术师通过所谓的“念力”隔着一定距离将叉子等物品弄弯、隔空取物等，这些都是魔术师通过精心设计让我们看到的表象。那么在现实中我们能否通过“念力”不通过自身肢体来操纵物体呢？

回答是肯定的，脑机接口技术就能帮助我们直接用大脑“念力”（大脑电信号）支配外接的单个物体乃至机械臂甚至外骨骼，从而达到操纵相应物体的目的。

那么我们要怎样轻松使大脑具备“念力”能力呢？

实现“念力”的两种方式

脑机接口技术实现“念力”，就需要采集到你大脑“想做什么”的神经元电信号，解析出这些信号所编码的信息，并将其传递给外界事物，从而用大脑直接控制接受信息并执行移动等操作。

当前脑机接口技术可以分为两大类：侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。

众所周知，我们的大脑外面被一层坚硬的颅骨保护着。非侵入式脑机接口，就是不用破坏颅骨结构以及深入脑组织内部，就能采集到大脑神经元的活动信号的接口类型。一般利用的是像帽子一样的头戴式设备来采集信号。

最常见的是头皮脑电图（Electroencephalogram，EEG）,一个无创检测大脑电活动的方式，需要将电极置于头皮上，记录神经元内及周围电流所产生的相对较慢的突触后电位。EEG可以无创地对大脑神经元活动进行直接和实时的检测。

但由于其仅置于颅骨外，产生脑电的神经活动在整个大脑中传导，因而信号精度比较欠缺，比较难判断电极信号源头的相对位置；且大脑为三维的结构，对于大脑深部的脑区比较难记录到其信号。

EEG装置示意图

（图片来源：参考文献[1]）

需要局部破坏颅骨结构，将采集信号的电极穿过颅骨插入软绵绵的大脑组织内，进而获得脑电信号，精确记录大脑信号的称为侵入式脑机接口；穿过颅骨，但不会将电极插入脑组织里，只是贴在其表面的称为半侵入式脑机接口，比如皮层脑电图（Electrocorticography，ECoG）。

不同的脑机接口类型

（图片来源：参考文献[2]）

侵入式脑机接口的好处在于能够更清晰和准确地记录大脑的电信号，甚至能达到单个神经元水平。这对于解码后顺利执行命令，从而熟练掌握“念力”是非常有必要的。它还可以进行精确的电刺激从而产生特定的感觉。

但因为侵入式脑机接口需要取下一小片颅骨，这种“脑洞大开”的方式让人望而却步。

有没有伤害小一点甚至没有伤害也能轻松掌握“念力”的方法呢？这是脑机接口领域正在极力攻克的一个问题，目前已经取得了一些进展。

如何低代价轻松地学会“念力”

近期世界人工智能大会上展示的类蚊口器仿生柔性电极就能实现微创式的植入。这种电极的结构类似于蚊子独特的口器，外部较硬，但里边的电极较软，侵入大脑组织时就像蚊子吸血侵入皮肤一样，在信号精度较高的情况下尽可能降低了对大脑的损伤程度，但是该方法仍需要打开一小片颅骨。

类蚊口器仿生柔性神经探针

（图片来源：中国科学院）

除此之外，能不能像《盗梦空间》里一样，通过打针的方式来植入脑机接口的电极呢？

毕竟我们虽然怕开颅，但打针还是不怕的。

来自澳大利亚的科研团队就开发了名为“支架”（Stentrode）的微创式脑机装置。它是一种血管支架状的脑机装置，从颈部底部静脉输送进入脑部血管，并在特定大脑区域旁边的血管内放置了16个电极来采集转译大脑的神经活动。

Stentrode

（图片来源：Neuronews）

类似的，斯坦福大学团队也开发出了一种超柔性微血管内（ultraflexible micro-endovascular，MEV）探针，通过颈部血管精确地输送到大鼠亚百微米级的大脑血管中，从而在皮层和嗅球中实现长期稳定地记录电信号。

超柔性微血管内探针

(图片来源:参考文献[4])

这些通过血管来记录大脑电信号从而掌握“念力”的技术，“打个针”就行，不用通过颅骨的外科手术也能轻松记录到大脑信号。但这些技术的缺点和其他的非侵入式技术一样，信号的通量和保真度并不是很理想，或许只能实现非常一般的“念力”水平

希望未来能实现微创甚至是无创的脑机接口植入，并且增强大脑电信号的信噪比，让获得“念力”的方式更加简单和安全。

脑机接口的未来

脑机接口的未来会怎样呢？

肯定是朝着无创和高质量（高时空分辨率）以及可交互（即大脑和脑机接口可交互）的目标前进。但在实现这些目标之前，仍需要大量的科研投入和产出。

像《阿凡达》中躺在密闭舱内戴上一个设备，即可控制另一个物体身体进行各种活动，在可见的未来应该是能实现的，毕竟运动信号的采集和解码是脑机接口里最老生常谈的技术了。

脑机接口远程操控

（图片来源：电影《阿凡达》）

但要实现科幻小说里那样完全控制人类思维的脑机接口技术，以目前的技术水平来看，依然是科幻。

尽管当前用脑机接口只能实现一些简单的“念力”，但这已经为脑功能损伤患者的康复带来了很多福音，给予了很多残障人士重新自理的可能性。

可以预见的是，不远的未来，脑机接口将可能彻底改变残障人士的现状，让很多瘫痪患者都能恢复得更加健全，希望那时，每个身体受到不可逆伤害的残疾人都能像正常人一样过着美好而有尊严的生活。

或许有一天，脑机接口技术能让每个想学“念力”的人都能在无风险的情况下随心所欲地使用“念力”，让隔空取物这种操作不再是“魔术”。

参考文献：

[1] Sebastian Nagel, Towards a home-use BCI: fast asynchronous control and robust non-control state detection. SEBASTIAN NAGEL

aus Gelnhausen, 2019

[2]Shujhat KhanTipu Aziz, Transcending the brain: is there a cost to hacking the nervous system? Brain Communications, 2019

[3]Tang J, LeBel A, Jain S, et al. Semantic reconstruction of continuous language from non-invasive brain recordings[J]. Nature Neuroscience, 2023: 1-9.

[4] Anqi Zhang, Charles M. Lieber, et al. Ultraflexible endovascular probes for brain recording through micrometer-scale vasculature. Science 381, 306–312, 2023.