脑机接口的主要技术

从功能上看，脑机接口设备主要要解决两个问题：一是接收神经元发送的信号，并由此推断出其中包含的信息。根据需要，人们可以对这些信息再编码并进行输出（例如像卢西尔那样操控乐器，或者对机器进行控制）。二是对神经元进行刺激，从而通过神经元来影响身体某些部位的行动。这两种任务都可以通过不同的方式来实现，而不同方式在实现效率上存在着很大的差异。

目前，人们通常会把脑机接口技术按照其是否需要侵入大脑，以及侵入的程度分为非侵入式、侵入式，以及半侵入式三类。

（1）非侵入式技术。非侵入式技术无需通过侵入大脑，只需通过穿戴设备来对大脑信息进行记录、解读，以及对神经元进行刺激。

前面说到的阿尔文·卢西尔用来控制乐器的脑电图（EEG）设备就是一种早期实验中常用的非侵入设备，它主要依靠贴在头皮的电极来读取神经元的锋电位。这种设备的缺陷也是非常明显的。比如，设备的监测精度较低，因而对和头皮关系不大的电流，以及大脑中电流起源的深度等信息都很难监测。

和脑电图类似的一种非侵入设备是脑磁图（Magnetoencephalography，简称MEG），也是用设备来对神经元内的电活动进行监测。和脑电图不同的是，它监测的主要是电活动带来的磁场变化，而不是电流变化。

另外，除了通过直接监测神经元电活动的仪器外，还有一类非侵入式仪器是通过神经元活动对周围活动产生的影响来推断神经元的活动，其中典型的代表就包括功能性磁共振成像（func－tionalmagneticresonanceimaging，简称fMRI）和功能性近红外成像（func－tionalnearinfrared，简称fNIR）。它们的工作原理都是根据神经元的电活动产生的周边血流量变化来推断神经元本身的活动。相比于直接观测神经元电活动的脑电图和脑磁图，这类设备的空间分辨率更高，但时间分辨率会差一些，也就是说它们可以更为清晰地刻画脑部各区域的活动状况，但在记录的时间精度上要略微逊色一些。

再看负责刺激神经元的非侵入设备。目前，比较常用的设备包括经颅磁刺激（TranscranialMagneticStimula－tion，简称TMS）和经颅超声（Transcra－nialDopplerUltrasound，简称TCD）。其中前者是通过磁场来刺激神经元，后者则是借助于超声波。这两种设备都可以在不开颅的状况下，对脑内的神经元直接进行刺激，从而达到干预其行为的效果。（2）侵入式技术。所谓侵入式技术，就是指通过手术等方式直接将电极（可以是单细胞电极，也可以是多电极阵列）植入到大脑皮层，以此来观察和控制神经元活动的技术。

从观察神经元活动的原理看，这一类技术其实是和脑电图类似的，都是通过测量锋电位来达到这一目的。所不同的是，侵入式技术可以避开颅骨和脑皮层的干扰，因而在对信息的获取上要远为精确。反过来，用侵入大脑的电极来对神经元进行刺激的做法也是更为直接的，它可以比非侵入式方法产生更为明显的效果。

当然，侵入式技术的代价也是明显的：通过开颅植入电极具有巨大的风险，而且由于异物侵入，还可能会引发免疫反应和疤痕组织，从而导致电极信号质量衰退甚至消失。虽然经过菲尔·肯尼迪等一批科学家的努力，人们已经在这些问题上取得了较大的突破，但从总体上看，侵入式技术的风险和成本依然是不可忽略的。（3）半侵入式技术。所谓半侵入式技术，即将脑机接口设备植入颅腔，但放在大脑之外。目前，比较有代表性的一类半侵入式技术是皮质脑电图（Elec－trocorticography，简称ECoG）。这种技术通过开颅手术将电极放置到大脑表面，一般来说，电极的材质会有较大的柔性，因而不会对大脑的正常活动产生更多的干扰。借助于这些植入的电极，人们就可以对神经元活动进行观测和干预。

相比于侵入式技术和非侵入式技术，半侵入式技术是一个折中：一方面，相比于非侵入性技术，它可以避免颅骨带来的干扰，因而在性能上更佳；另一方面，它也能比侵入性技术对大脑造成更小的损伤。

通过以上分析，我们可以看到，侵入式和非侵入式脑机接口技术各有其利弊。人们在选择使用何种技术时，必须在设备的性能和安全性之间进行权衡。现在不同的企业和机构正在根据自己的需要选择不同的技术路径。

比如，Neuralink选择的是一种侵入式的路径，他们尝试的是把芯片植入脑内，其能力已经有目共睹，不过，到目前为止，其安全性依然存疑。尽管从Neuralink官方给出的资料看，完成芯片植入的整个手术过程只需要短短的十五分钟，且对于植入者的创伤极小。但是，究竟其在开颅手术后的安全性究竟如何，依然是不确定的。据报道，在接受了Neuralink芯片植入的23只猴子中，已经有15只死亡。如果这个数字属实，那么人们似乎很难相信这种芯片的植入是已经安全的。

相比于Neuralink，脸书等其他企业出于安全考虑，更多地采用了非侵入性的路径，试图通过头盔、腕表等穿戴式设备来实现脑机对接。刚刚上市的苹果VisionPro中也有非侵入脑机接口设备。应该说，现在这一路径取得的成绩也是显著的。比如，不久前由脸书赞助的加州大学旧金山分校团队就用非侵入式脑机接口实现了从脑活动读取内容，并转化为文本的实验，从而让“意念打字”成为了现实。由这个例子可以看到，尽管理论上非侵入式技术在工作效率上要低于侵入式技术，但随着技术的发展，其前途依然是十分巨大的。