未来已来，脑机接口是一门怎样的科技？

编者按：本文来自微信公众号“线性资本”（ID：LinearVenture），作者：欧洋，36氪经授权发布。

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一、BCI是什么

脑机接口（BCI）目前还没有达成共识的概念，参考知乎专栏李明俊的解读：

“脑（Brain）” = “有机生命形式的脑或神经系统”，而并非仅仅是抽象的心智

“机（Computer）" = “任何处理或计算的设备”，其形式可以从简单电路到硅芯片

“接口（Interface）” = “用于信息交换的中介物”

连起来，简化为：BCI = 联结 有机体思想 与 无机体执行 的 媒介

二、脑（Brain）

先来看看脑在哪里：

如果你把脑和头想象成一个东西，那下面的图可能会让你惊讶——头皮 (skin) 下面，经过很多层组织的铺垫，才是颅骨（skull）。 

从头皮到颅骨（图片来源：Wait But Why）

颅骨下面，还要穿越硬脑膜（dura mater）、蛛网膜（arachnoid trabeculae）、软脑膜（pia mater）的层层保护，才能见到我们的主角——大脑（Brain）

简而言之，从头皮最终到大脑，其间的结构可以简化为下图👇

上图中，从左往右，依次为皮肤（粉红色）、两层头皮层、颅骨、硬脑膜、蛛网膜、以及最右边被软脑膜包裹的大脑👇 

“补脑，核桃” （图片来源：Wait But Why）

我们简单把大脑划分四个区：额叶（frontal lobe），顶叶（parietal lobe）, 枕叶（occipital lobe）, 颞叶（temporal lobe）。不同大脑区域控制不同的活动，比如运动中枢位于额叶，知觉感官的神经元位于顶叶，视觉中枢位于枕叶，听觉中枢位于颞叶。

而同一区域，不同神经元控制的活动也不同。以运动皮层（motor cortex）和体感皮层（somatosensory cortex）为例，皮层上不同位置对应人体不同部位的活动，具体可以描绘为著名的小矮人（Homunculus）图: 

运动皮层和体感皮层小矮人图（图片来源：Wait But Why）

三、机（Computer）

从脑的角度看，BCI的终极任务包括两项：记录（Recording）、刺激（Stimulating）。与之对应，机器端（Computer）的功能就是解码记录（Recording）并执行相应指令，以及输入信号激活（Stimulating）神经元。

在记录（Recording）方向，BCI记录大脑的神经元活动，然后把活动转化为机器语言，让机器执行某项操作。目前应用主要集中于运动皮层远程控制。例如瘫痪病人脑部依旧能思考，但肢体却不听使唤，这时机器可以根据病人脑部活动的指示，帮助病人控制肢体活动、表达想法等。

Brown University首先研发的BrainGate系统是运动皮层远程控制的代表成果。它将一种名为Utah Array的电极列阵植入瘫痪病人的运动皮层。当病人想要抬手或做其他活动时，电极便可检测到被这些意图激活的神经元，然后将信号传导给机器，让其完成对应指令。

当然，在应用于实际案例前，BrainGate先收集了大量实验数据，比如，当人们想把手往左边移动时，100个神经元里某42个被激活，而想往右边移动时，另外37个神经元被激活，而原来的42个则变为休眠状态。BrainGate 将这些实验数据集合起来，以“意图-被激活神经元”的“x-y”坐标轴模型为基础，建立一个数据库。在实际案例中，则是个刚好相反的过程，BrainGate通过瘫痪病人被激活的神经元y在数据库里找到匹配的意图x, 然后执行命令。 

在BrainGate的帮助下，一位瘫痪近15年的女士通过机械手臂完成喝咖啡的动作（图片来源于网络）

2012年巴西，Miguel Nicolelis设计的exoskeleton 让截肢少年开球世界杯（图片来源于网络）

在刺激（Stimulating）方向，机器可应用于感官模拟、深度大脑刺激。人造感官较为常见的例子有人造视网膜和人造耳蜗（助听器）。与瘫痪病人类似，通常病人的脑部正常，但是在信息入口，即眼睛或者耳朵出现了损坏或者阻碍，于是BCI就帮助病人修复信息入口，完成外界信号对神经元的激活。

但现在的感官模拟的发展都还处于起步阶段。如果要全方位仿真听觉，人造耳蜗至少需要3500个电极，而现在的产品最多只能达到16个。同理，人工视网膜目前可以植入60个感应器，而真实的视网膜上则有百万个神经细胞，完成读书和面部识别等任务需要600-1000个电极。

深度大脑刺激（Deep Brain Stimulation）可协助控制情绪，例如减轻帕金森综合征的痉挛现象，缓解偏头痛、幻肢痛、创伤后遗症和强迫症等。相关商业案例包括针对癫痫治疗的NeuroPace的RNS系统、针对睡眠障碍疗愈的没出初创公司Cerêve，针对学习障碍治疗的BrainCo。

一家名为foc.us的公司致力于通过可穿戴设备刺激人脑产生α波，从而达到心流体验（图片来源:foc.us官网）

上述应用都面向医疗领域的修复方案，BCI应用还有超越医疗领域的构想。比如初创公司Neurable致力于更快捷交互模式的研发，将VR/AR于BCI结合，期待人们用意念操控汽车等设备。Kernel Co则专注大脑技能水平的增强，如通过芯片“读取+改写神经密码”来改善长期记忆力。

Elon Musk则更进一步，憧憬一个全民普及的BCI，融合娱乐、办公、远程控制、增强记忆等多项功能。简而言之，Elon Musk的Neuralink是要把我们现在离不开的手机、电脑等多种设备压缩进一个随身携带的BCI，并且实现总体大于部分之和的更多功能。 

四、接口（Interface）

如前所述，接口主要实现记录（Recording）和激活（Stimulating）。接口是信息的收集和传输中介，目前主要运用的BCI工具有EEG，ECoG，LFP等，更尖端更精细化的技术包括Single-Unit Recording，patch clamp和sharp electrode recording等。

下图展示了不同工具（EEG，ECoG, LFP）接入脑部的不同位置： 

（图片来源：Wait but Why）

最理想的BCI工具是大规模、高解析度、非入侵式的，但目前的技术只能在其中某几项指标上做到理想情况。下表从规模、解析度、侵入性各方面比较了不同工具的优劣：

上面提到的超级精细化的装置膜片钳（patch clamp）不但可以记录（Recording）神经元活动，还可以刺激（Stimulating）神经元活动。因为膜片钳可以接触到单个细胞，所以它可以将电流或者电压根据实验要求施加到神经元上。上面提到的其他记录（Recording）工具也可以实现激活（Stimulating）功能，但只限于激活整个神经元组。

五、BCI研究瓶颈

小线菌先引出几个BCI现阶段的瓶颈，有兴趣的朋友可以思考思考，欢迎留言交流🤗

脑（Brain）：人类对脑科学探索还处于婴儿期，如何在脑科学认知限制条件下研发BCI？

机（Computer）：带宽瓶颈——如何小儿巧地容纳大量信息？

接口（Interface）：如何解决生物相容性问题？人的免疫系统排斥本体之外的”入侵”物体，如何让BCI融入有机体？

脑机接口（BCI）：伦理问题——试验阶段，如果开颅，可以做大量生物实验吗？推广阶段，如果读心实现，隐私何在？

小线菌先留个悬念在这里，下期继续与你分享一些脑洞大开的有趣破解法。