脑机接口简史

所谓“脑机接口”（Brain-Machine Interface，简称BMI；Brain-Computer Interface，简称BCI），顾名思义，就是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接接口，其目的是用来实现脑与设备的信息交换。这里所谓的“直接”，指的是不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路，实现“脑”和“机”之间的直通。

探索大脑的历程

脑机接口技术的灵感是伴随着人类对于大脑功能的探索而产生的。

最初，人们并没有认识大脑的特殊性，更没有认识到其具有思维的功能。例如，古埃及人就认为，大脑这团丑陋的白肉只是“颅骨的填充物”，而亚里士多德则认为大脑其实是血液的冷却机。

直到公元162年左右，古罗马学者盖伦才开始猜测大脑而非以前所认为的心脏是人类思维的主要器官。他指出，大脑会产生一种神秘的“精气”，这种看不见摸不着的东西会周游全身，并控制各个器官的行动。在当时人们的眼中，盖伦的观点就是典型的离经叛道。但在数百年后，人类历史进入启蒙时代后，却有越来越多的智者开始接受盖伦的观点，其中典型的代表就包括大哲学家笛卡尔。

后来，随着物理学的发展，人们开始对电有了初步的认识。于是就有人猜测，盖伦所讲的“精气”会不会就是一种生物电呢？对于这个问题，科学家们用实验给出了答案。18世纪末，以伽伐尼、伏打为代表的一批意大利科学家尝试用电去刺激青蛙，从而控制青蛙的肢体反应。通过这种方法，他们证明了电确实可以扮演盖伦所说的“精气”的角色，对动物的肢体进行控制。不过，生物电究竟是在人体内沿着怎样的路径、通过怎样的方法进行传播依然是一个谜。

19世纪，细胞学说开始普及。借助显微镜等工具，人们开始对生物的细胞结构进行观察。当人们观测到脑部的神经细胞时，却发现了一些不同：在身体的其他地方，细胞都是以细胞膜为边界的离散单位，但大脑中的细胞却似乎都带着一根长长的纤维。这些纤维会延伸到身体的各个部分，并彼此交错，构成一张网络。这就产生了一个问题：这个网络是一个整体，还是由一个个独立的细胞构成？

解开这个谜题的是西班牙医学家兼艺术家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）。1888年，他用一种被称为“高尔基染色法”的方法对神经细胞进行了染色，通过对染色后的图形进行观察，他发现神经网络并不是一个整体，而是由一个个神经元细胞组合而成的（注：有意思的是，“高尔基染色法”的发明者卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）却认为神经网络是一个整体。1906年，这位和卡哈尔在观点上截然对立的学者和卡哈尔一起因在神经领域的研究而分享了当年的诺贝尔医学奖）。

不久之后，德国解剖学家威廉·冯·瓦尔德耶（Whilhelm von Waldeyer）总结了卡哈尔以及其他的一些贡献，并正式将神经细胞命名为了“神经元”（neuron）。

现在，借助于更为先进的观察设备，我们已经可以十分清楚地看清楚神经元的结构：每一个神经元都由“胞体”和“胞突”构成。其中，胞突有长有短，长的被称为轴突（axon），短的被称为树突（dendrite）。卡哈尔在观测到了神经元的形状后就曾经猜测，这些“胞突”结构很可能是为神经元之间传递信息的一种结构：其中轴突就好像电报线，来完成不同神经元之间的信息传递，而树突则主要充当接收器的角色。有了这种结构，生物电，或者“精气”就可以在不同的神经元之间进行传递。虽然在当时，卡哈尔的以上猜测完全是一种基于直觉的判断，但后来的研究证明，他的这些猜想基本是正确的。

具体来说，神经元类似于一个装有液体但却有漏洞的袋子，它的细胞膜由磷脂双分子层构成，可以选择性地让一些离子通过。在自然条件下，神经元存在于水介质当中，其内外的各种离子浓度是不同的，而这种浓度的差异就造成了细胞膜内外电势差的存在。当神经元接收到某个足够强的生物电信号后，钠离子的通道就会被打开，细胞膜外的钠离子就会迅速流入细胞，这时细胞膜点位就会迅速上升，直到上升到一定的程度，钾离子的通道被打开，钾离子流出细胞，细胞膜的电位才会下降。这种膜电位先上升后下降的过程就被称为“锋电位”（spikepotential）。锋电位会首先发生在胞体和轴突的连接点附近，然后随着轴突向其他神经元传播，而其他神经元则可以通过树突来接收这一切。通过这种方法，由神经元组成的网络就扮演起了生物电在人体内的通路的角色，各种刺激产生的信息以及大脑的各种指令，也就可以沿着这个网络进行传播了。