作者：楊義先、鈕心忻（均系北京郵電大學(xué)教授）

　　隨著人工智能的發(fā)展，腦機(jī)接口也逐漸從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。有人希望以此造就“超人”，更多的人則希望能夠解決實(shí)際問題——讓盲人復(fù)明、讓癱瘓?jiān)诖驳幕颊咧匦伦呗?、讓阿爾茲海默癥患者找回曾經(jīng)的記憶……但也有人持有懷疑態(tài)度：腦機(jī)接口會(huì)不會(huì)讓別人控制自己的大腦？被人工智能增強(qiáng)了能力的人，還能稱之為“人”嗎？日前，北京郵電大學(xué)教授楊義先、鈕心忻完成的科普書《人工智能未來簡(jiǎn)史：基于腦機(jī)接口的超人制造愿景》，對(duì)腦機(jī)接口的過去、現(xiàn)在和未來進(jìn)行了全面、客觀而系統(tǒng)的梳理。本期，我們邀請(qǐng)兩位作者撰文，簡(jiǎn)單介紹一下他們眼中的腦機(jī)接口。

　　腦機(jī)接口并不是個(gè)新名詞

　　腦機(jī)接口就是腦系統(tǒng)（準(zhǔn)確地說是以腦為主的神經(jīng)系統(tǒng)）與機(jī)系統(tǒng)（準(zhǔn)確地說是人造的體外系統(tǒng)）之間的接口（準(zhǔn)確地說是電子信息接口）。

　　既然是接口，腦機(jī)接口的主要任務(wù)有兩個(gè)：一是輸出，即把腦系統(tǒng)的電信號(hào)提取出來，并以此作為控制信號(hào)或腦電信息，讓機(jī)系統(tǒng)去做腦系統(tǒng)想讓它做的事情（即意念控制）或了解腦系統(tǒng)的想法（即猜心術(shù)或意念通信）；二是輸入，即把機(jī)系統(tǒng)的指令以電信號(hào)的形式送入神經(jīng)系統(tǒng)，讓腦系統(tǒng)去做機(jī)系統(tǒng)想讓它做的事情，或?qū)⒓扔兄R(shí)或技能“下載”給腦系統(tǒng)讓它“不學(xué)而會(huì)”。在遙遠(yuǎn)的將來，人們或許能夠通過腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)意念通信。

　　總之，腦機(jī)接口的最核心思想是：包括大腦在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)，其實(shí)就是像電腦一樣的信息系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)的各部分之間既接收和傳遞信息，又接受電信號(hào)的控制而執(zhí)行相關(guān)命令，所以，腦系統(tǒng)才能與機(jī)系統(tǒng)彼此連接。

　　腦機(jī)接口絕非新鮮事物，其歷史之悠久可能出乎許多人的意料。早在1783年，伽伐尼用不同金屬觸碰死青蛙大腿的兩端并引起了肌肉收縮，這其實(shí)就在無意間完成了一次腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不但表明生物機(jī)體是“發(fā)電機(jī)”，還表明電流哪怕只是十分微弱的電流，也可引發(fā)神經(jīng)的劇烈運(yùn)動(dòng)。

　　1818年11月，英國(guó)解剖學(xué)醫(yī)生尤爾在格拉斯大學(xué)操場(chǎng)上公開表演了一個(gè)恐怖實(shí)驗(yàn)，展示了電流刺激如何讓神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)期動(dòng)作。原來，經(jīng)過法院特批后，尤爾對(duì)一具死刑犯的尸體進(jìn)行了通電實(shí)驗(yàn)，成功地讓該尸體產(chǎn)生了諸如呼吸、抬手、蹬腿、睜眼等動(dòng)作，還表現(xiàn)出憤怒、恐懼、絕望、痛苦、驚悚和微笑等表情。尤爾當(dāng)然不是在虐待尸體或嘩眾取寵，而是在嘗試把將死之人救活——實(shí)際上，正是通過這次實(shí)驗(yàn)，尤爾后來發(fā)明了心臟起搏電擊法，并沿用至今。

　　從腦機(jī)接口角度看，尤爾首次以事實(shí)證明，只要對(duì)局部神經(jīng)系統(tǒng)輸入合適的電信號(hào)，人體就會(huì)乖乖地執(zhí)行相關(guān)命令。那么，理論上，只要能通過外力改變相關(guān)的電信號(hào)，就可改變運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的相關(guān)動(dòng)作，這便是腦機(jī)接口可以治療帕金森癥等的理論基礎(chǔ)。若再加推廣，任何人都可以很快成為全球第二的鋼琴家——只需將排名第一的鋼琴家彈鋼琴時(shí)的手臂運(yùn)動(dòng)神經(jīng)電信號(hào)，原封不動(dòng)地輸入自己手臂上相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，雙手就會(huì)不由自主地彈出優(yōu)美曲調(diào)。同時(shí)，雙手的感覺信息又會(huì)反饋給大腦，讓大腦逐漸學(xué)會(huì)如何向手臂發(fā)布正確命令。這就相當(dāng)于鋼琴大師以最精確的重復(fù)方式，“手把手”地教人彈鋼琴。

　　腦電波的神奇功能

　　1902年11月，德國(guó)耶拿的一家精神病院里，一位特別膽大的醫(yī)生伯格收治了一位病人，他被擊中頭部，并在顱骨留下一個(gè)彈孔。傷者彈口處的皮膚雖然痊愈了，卻能被觀察到不斷跳動(dòng)。伯格通過記錄頭皮跳動(dòng)的波形，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚天秘密：該波形會(huì)隨著患者的思想而很有規(guī)律地變化。哪怕患者只是在聽、看、嗅、觸或做其他很微小的動(dòng)作，甚至患者的情緒波動(dòng)，都會(huì)影響波形。

　　冥思苦想20余年后，伯格醫(yī)生于1924年在他兒子的頭上成功進(jìn)行了一次腦電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。他將自制電流計(jì)的正負(fù)兩極分別接在兒子的額頭和后腦勺的頭皮上，結(jié)果真的記錄到了振蕩頻率大約為10赫茲的神奇電波，如今這種電波稱為伯格波。他觀察到，伯格波會(huì)隨著受試者心理和生理情況的變化而變化，甚至哪怕只是眨眼之類的小動(dòng)作都會(huì)讓伯格波發(fā)生變化，而正常人與精神病患者的伯格波也不相同。

　　后來，科學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，從頭皮上不同部位都可以檢測(cè)到不同頻率的電磁波，于是便將這些頻率不同的電磁波的匯集，統(tǒng)稱為腦電波。

　　隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，腦電波具有眾多奇妙功能。比如，腦電波能預(yù)測(cè)某人的學(xué)習(xí)潛力，特別是外語的學(xué)習(xí)潛力。原來，如果大腦右側(cè)顳葉和頂葉區(qū)域的β波（腦電波中的一種頻率為14至30赫茲的子波）很強(qiáng)，那很可能預(yù)示著受試者有較強(qiáng)的外語學(xué)習(xí)能力；另一方面，經(jīng)過外語訓(xùn)練的成年人，其β波確實(shí)會(huì)明顯增強(qiáng)。

　　腦電波還能用來“猜心”——當(dāng)你給一個(gè)小孩講數(shù)學(xué)題時(shí)，怎么知道他是否在用心聽呢？當(dāng)小孩聽懂了講解時(shí)，腦電波就會(huì)明顯活躍；如果他對(duì)講解感興趣，其腦電波會(huì)更加活躍；當(dāng)他只是在應(yīng)付，其腦電波就會(huì)明顯減弱。甚至，心理學(xué)家利用腦電波還能知道受試者到底是在想桌子還是椅子，或者是在想1到7中的哪個(gè)數(shù)——受試者在冥想不同事物時(shí)，他的腦電波是不同的，只要能得到受試者之前相應(yīng)的腦電波，便可通過簡(jiǎn)單對(duì)比而準(zhǔn)確地猜出受試者的選擇。人們?cè)谘芯恐幸舶l(fā)現(xiàn)，對(duì)某些特殊場(chǎng)景中的句子，許多人會(huì)激發(fā)出幾乎相同的腦電波；反之，通過檢測(cè)這種腦電波是否存在，就能推斷出受試者是否正在冥想某個(gè)句子。有人就通過這種方法，對(duì)多達(dá)240個(gè)預(yù)定的句子完成了準(zhǔn)確度很高的“猜心術(shù)”。

　　腦電波還可用于簡(jiǎn)單的意念控制。人們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)人在冥想單音節(jié)字時(shí)，所激發(fā)的腦電波幾乎各不相同，而且這種腦電波比較穩(wěn)定。于是，控制玩具車這類簡(jiǎn)單的意念控制就比較容易實(shí)現(xiàn)：當(dāng)你冥想前、后、左、右四個(gè)字時(shí)，腦電波是各不相同的，而且每個(gè)字所對(duì)應(yīng)的腦電波還比較穩(wěn)定，那么只需要利用這四個(gè)穩(wěn)定的腦電波信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)讓玩具車前、后、左、右行駛。更一般地，若某種操作的命令個(gè)數(shù)只是有限的N個(gè)，那么，只需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的訓(xùn)練和簡(jiǎn)單的指令信號(hào)對(duì)應(yīng)，任何人都可以輕松完成意念控制任務(wù)。

　　反之，適當(dāng)干擾腦電波也可以影響受試者。比如，受試者面對(duì)“蘋果”兩字時(shí)，既可能想到香甜可口的水果，也可能想到蘋果牌電子產(chǎn)品。如果適時(shí)利用一種名叫“經(jīng)顱刺激”的技術(shù)來刺激受試者的美味反應(yīng)區(qū)，那么，就可讓受試者更傾向于將“蘋果”理解為美食，哪怕受試者本來是想買手機(jī)。

　　從幻想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

　　如今，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了多種獲取腦電波的設(shè)備。已經(jīng)投入應(yīng)用的主要是針對(duì)健康人群的、精準(zhǔn)性稍差一些的非植入式設(shè)備，比如大家經(jīng)常在電視中見到的電極帽，或更加昂貴的磁共振成像儀等。

　　近些年來，科學(xué)家和工程師們則在開發(fā)用于特殊病人的植入式設(shè)備上花費(fèi)了大量精力。這類設(shè)備被稱為腦機(jī)芯片或干脆簡(jiǎn)稱為腦機(jī)接口，它能獲得更加精準(zhǔn)的腦電信息，也能將外界電信號(hào)更加精準(zhǔn)地輸入大腦。實(shí)際上，早在1857年，植入式設(shè)備就被用于獲取兔子和猴子的腦電波。但因?yàn)榘踩浴惱硇缘瓤紤]，一直沒有在人類的臨床上取得突破。但是隨著人工智能相關(guān)技術(shù)和工程技術(shù)、材料技術(shù)的飛速發(fā)展，不少科學(xué)家又開始了這類嘗試，例如馬斯克即將推出的腦機(jī)接口就是植入設(shè)備的典型代表。

　　如今，學(xué)術(shù)界比較一致地根據(jù)控制信息的精準(zhǔn)程度，將腦機(jī)接口分為宏觀型、中觀型和微觀型三大類。其中，宏觀型腦機(jī)接口傳遞的信息主要是腦電波。此類腦機(jī)接口的特點(diǎn)是：原理簡(jiǎn)單，一說就懂；實(shí)現(xiàn)不難，而且已經(jīng)或正在許多領(lǐng)域中廣泛使用；精度不夠，既不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而精準(zhǔn)的意念控制，更不是今后意念通信的備選方案。

　　微觀型腦機(jī)接口是與宏觀型腦機(jī)接口相對(duì)的另一個(gè)極端，它們傳遞的信息主要是神經(jīng)元個(gè)體或群體的電特性。它們將是未來研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)，一旦實(shí)現(xiàn)，將極大地改變?nèi)祟惖默F(xiàn)狀，但我們也必須承認(rèn)，或許在可見的將來，這都還只能是夢(mèng)想。我們?cè)凇度斯ぶ悄芪磥砗?jiǎn)史》一書中用四句話來描述微觀型腦機(jī)接口：不是科幻勝似科幻，腦電之妙玄之又玄；人性自足不假外延，格物致知重在內(nèi)涵。

　　中觀型腦機(jī)接口介于宏觀型和微觀型之間。與宏觀型相比，中觀型腦機(jī)接口將宏觀的體外腦電波替換為顱腔內(nèi)的“大腦地圖”，即大腦中與物理位置相關(guān)的一些電信號(hào)。若干年來，科學(xué)家們經(jīng)過反復(fù)探測(cè)，獲得了一些電信號(hào)。比如，刺激某個(gè)位置的神經(jīng)時(shí)，受試者會(huì)有幸福感；刺激另一個(gè)位置，受試者則會(huì)在某個(gè)指尖上產(chǎn)生觸摸感等?；谶@類研究，科學(xué)家們不斷繪制更詳細(xì)的“大腦地圖”?？梢韵胍?，只要能足夠精準(zhǔn)地獲得某人某時(shí)的“大腦地圖”，便可在一定程度上實(shí)時(shí)了解受試者的某些感覺；同樣，只要掌握好電信號(hào)的刺激位置、時(shí)機(jī)、電流強(qiáng)度等，便可以讓受試者產(chǎn)生相應(yīng)的感覺，或?qū)χw發(fā)出相應(yīng)的控制命令等。

　　如今，科學(xué)家們已經(jīng)在中觀型腦機(jī)接口上取得了突破性進(jìn)展。比如，讓盲人“看見”東西。具體來說，就是讓攝像機(jī)將圖像切割成20×20的400個(gè)點(diǎn)陣，并根據(jù)每個(gè)點(diǎn)陣的亮度，在皮膚的相應(yīng)點(diǎn)陣位置上產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的震動(dòng)。于是，經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練后，受試者不用“眼見為實(shí)”，就能在頭腦中形成明暗不同的點(diǎn)陣圖像，從而以黑白圖像的方式識(shí)別出不同的面孔，知道物體的遠(yuǎn)近，觀察到物體的旋轉(zhuǎn)及形狀變化，了解當(dāng)前的觀察角度；甚至還能像常人那樣，通過想象“看見”物體被遮擋的部分。

　　腦機(jī)接口展現(xiàn)了無限可能，吸引著科學(xué)家們前赴后繼，不懈攻關(guān)，也將是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。未來，就從今天開始。