捕捉人腦的意念,，直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動外部設(shè)備的命令———這樣的科學(xué)探索,，已經(jīng)演變?yōu)?a href="http://hnhlg.com/news/" target="_blank">醫(yī)療領(lǐng)域的巨大商業(yè)需求，同時也為各國軍事機構(gòu)所重視,。美國布朗大學(xué)的科學(xué)家說：“你的腦袋能想到哪兒,，我們就能接到哪兒。”
這完全是一個抽象的故事,。
故事里沒有人、時間和地點,。它的主人公是一種虛無飄渺的東西———意念,，而它的配角則是隱藏在空氣中的電波。它們共同演繹著一個老套卻又刺激的故事情節(jié)———“隔空取物”,。
講述故事的人,，是清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的副教授洪波。他所在的由高上凱教授領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)工程實驗室在6月宣布,，他們已經(jīng)研制出一套系統(tǒng)———這個系統(tǒng)連接大腦和外部設(shè)備,，兩名受試者不用任何動作,，只用意念，便控制了兩個機器狗在地毯上踢了半天足球,。
與清華PK的,，是美國布朗大學(xué)一個研究小組。今年7月,，《自然》雜志封面報道了他們的研究成果———全世界第一例將電極植入人腦實現(xiàn)“隔空取物”的臨床實驗,。編輯對其配備了三篇評論———在這本雜志的歷史上，這很少見,。
不管怎樣,，他們的系統(tǒng)都有同一個名字———腦機接口系統(tǒng)(brain-computer interface,BCI)。在學(xué)術(shù)上,，這種技術(shù)被定義為“人腦與計算機或其它電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道”,。
清華和布朗，代表著這個研究領(lǐng)域的兩個方向———非侵入式和侵入式(人腦植入電極)BCI系統(tǒng),?？茖W(xué)家們正對此進行新一輪的學(xué)術(shù)爭論。焦點是,，誰更適合將這個技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,。
當然，故事極其復(fù)雜,。BCI正是支撐整個敘述的核心道具———一個意念與外物之間的通道,。通過這種通道，人就可以直接通過大腦來表達想法或操縱物體,，而不再需要通過語言或肢體動作,。
故事，就從這個通道開始,。
捕捉
許多人認為,，在我們生存的現(xiàn)實世界之外，大腦是另一個完整的世界,。
誰也不知道那些頭皮底下正在發(fā)生的故事,。那里馳騁的是無盡的想象———高尚或者猥瑣。只要不把這些想法付諸行動,，外人永遠不可知曉,。
我們的主人公———人的意念———就生活在那個封閉的空間。它左右著身體的各個部位,。但是,，即便意念如此強大，它也有無能為力的時候,。醫(yī)學(xué)專家統(tǒng)計,，全世界約有一千萬BCI系統(tǒng)的潛在用戶,，包括1600萬的腦癱腦萎縮患者，以及至少500萬的脊索傷者,，另有1000萬的因腦干問題引起的全癱患者,。
意念對這些人癱瘓的肢體毫無辦法。只憑大腦,，他們無法行走,，運動，甚至喪失說話的能力,。他們只剩下思想———唯一能挽救他們的,，就是打開一個通道，意念可以穿越它,，通過外部設(shè)備來實現(xiàn)喪失的軀體功能,。
但首要的一步，則是必須捕捉到意念,。神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，當意念在大腦活躍的時候，它可以發(fā)出一系列微弱的信號———神經(jīng)元放電(腦電波),。采集到這些信號，就等于捕捉到意念的內(nèi)容,。
這是一個有規(guī)律可循的生理法則,。不同的意念，在大腦皮層對應(yīng)著不同的功能分區(qū),。抬手,、提腿，任何一個身體部位的運動,，都對應(yīng)著不同的區(qū)域,，發(fā)出不同的信號。也就是說,，只要我們在大腦里找對位置,，就可以捕捉到相對應(yīng)的意念。
但是,，捕捉工程卻并不簡單,。
全世界許多國家的大學(xué)、研究所目前都在從事類似的研究,。美國布朗大學(xué)的研究小組今年7月在《自然》雜志發(fā)表論文,，宣布他們成功的從兩名受試者的大腦采集到了意念信號。
其中一名25歲的受試者來自馬薩諸塞,，患有嚴重脊髓損傷,，其脖子以下部位都沒有知覺,。2004年，科學(xué)家將一片傳感器通過外科手術(shù)植入受試者的腦部,。這種傳感器只有嬰兒用阿司匹林大小,，上面帶有100個比發(fā)絲還細的微電極———用以采集來自周圍神經(jīng)元發(fā)射的電信號。
但這種方式具有很大的風(fēng)險,，并不是每一個人都愿意在自己的大腦里放入一塊金屬片,。布朗大學(xué)的科學(xué)家也是第一次在人類身上實驗。此前,，他們的受試者大多是猴子,。
不過，還有另外一種捕捉方式正在被嘗試,。
清華大學(xué)的實驗室給受試者戴上了一頂電極帽———這是非侵入式的方法,。當意念產(chǎn)生之后，它所發(fā)出的腦電波傳導(dǎo)至頭皮,，然后被電極帽采集,。這種帽子和配套的信號記錄系統(tǒng)現(xiàn)在已是商業(yè)成品，并不需要實驗室自己制作,，價格從數(shù)千元到數(shù)十萬元不等,，差別主要在電極帽電極個數(shù)和信號的記錄精度。
博士生王毅軍稱這種捕捉方式為宏觀采集,，而美國布朗大學(xué)的植入方式,，是一種微觀的采集。雖然從信號效果和采集速度來看,，后者顯然強大很多,，但前者更方便，也更安全,。
其實,，無論哪種捕捉方式，都僅限于技術(shù)層面上的區(qū)別,。更關(guān)鍵的問題是,，我們的主人公并非那么輕易被捕———它太容易受到個體自身和外在環(huán)境的影響。
一些受試者可以良好地控制自己的意念,，他們注意力集中,，意念非常容易被電極帽捕捉。但是,，在王毅軍測試的20多名受試者中,，大約只有20％的人可以做到這一步。
由于個體差異，大部分受試者一開始并不能完全掌握意念的控制方法,。這就需要持續(xù)不斷的前期培訓(xùn),。王毅軍讓這些受試者戴上電極帽，將采集到的信號連接到計算機,。然后設(shè)計一個電腦程序,，利用生物反饋原理讓他們在電腦屏幕上訓(xùn)練———比如控制鼠標的移動。
盡管如此,，沒有哪一個科學(xué)家敢說他一定能捕捉到全部的意念,。更何況，在人類大腦頭皮上,，還分布著許多未開發(fā)的意念區(qū)域,。布朗大學(xué)此次植入的電極片，是放在腦部負責(zé)“主動運動”的大腦皮層表面,。
而對于整個大腦來說,，這只是微小的一部分,。
解讀
對于整個通道來說,，捕捉到意念,，才只是一個開始———意念進入通道時,，已經(jīng)不再是一個抽象的思維，而是一些還有待進一步識別的腦電信號,。
當然,，它不會輕易被人識破———這些信號非常微弱,?？茖W(xué)家在通道入口處安排了一個名叫腦電放大器的設(shè)備———它能迅速將信號放大很多倍,，研究者借此可以捕捉到更清晰的意念。
這個設(shè)備和電極帽或者植入的電極片,，在學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱為“腦電采集設(shè)備”。這套設(shè)備掀去了意念的外衣,，接下來更重要的事情是,，看看外衣下面到底隱藏著什么？
而這一步,，才是世界各個實驗室爭奇斗艷的法寶,。這一步的目標是解讀意念，使其內(nèi)容一覽無遺,，而手段就是將它完全脫光,。意念進入通道之后，抵達一臺計算機,?？茖W(xué)家們所要做的，就是設(shè)計一種“算法”,，從而識別出意念所表現(xiàn)出來的腦電信號,。
但這種“算法”卻是整個通道中最為艱難的一步,。在學(xué)術(shù)上，它被稱為“信號處理和模式識別”,。它的任務(wù)是從原始的腦電信號中,，提取出更精確的信號，然后加以分類識別,。到最后,，我們可以清晰判斷出，被捕捉的意念到底想要干什么,。
每一個實驗室都在絞盡腦汁,，希望想出更快速、更完美的算法,。
在中國,，許多大學(xué)的實驗室都在進行“算法”的研究。在全世界,，自2001年以來已經(jīng)舉辦過三次有關(guān)“算法”的數(shù)據(jù)處理競賽,。但沒有人敢聲稱，他的算法就是最好的,。
洪波所在的清華大學(xué)神經(jīng)工程實驗室,，在國內(nèi)此領(lǐng)域已是翹楚。事實上,，BCI涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域,，它是神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué),、計算機科學(xué)和微電子等多學(xué)科的交叉技術(shù),。在清華，它的工科背景為實驗室在“算法”上的研究添加了一個籌碼,。
正因為如此,，清華大學(xué)在國內(nèi)率先宣布他們研制出一套“真實可用”的BCI系統(tǒng)。而國內(nèi)其他實驗室,，有的還停留在理論階段,。
但無論何種算法，它至少都能一窺意念的真實內(nèi)容,。在此時的通道里,，它幾乎可以瞥見遠處的曙光———意念控制物質(zhì)。
變身
最艱難的時光已過去,，故事也到了盡頭,。但距離奇跡的出現(xiàn)，還差一小步。
經(jīng)過“算法”折騰之后的意念,，此時已經(jīng)變身為人類(至少計算機)可以識別的信號,。我們已經(jīng)清楚地知道大腦試圖表達的內(nèi)容———抬手、取杯子,，或者扇自己耳光,。
但是要達到“隔空取物”式的魔術(shù)表演，BCI系統(tǒng)還必須配齊另一種設(shè)備,。否則,，殘疾人的手不會自己動起來，桌子上的杯子也不會無緣無故的飛起來———“一切必須是可控的物質(zhì),。”王毅軍說,。
科學(xué)家們在殘疾人失去知覺的手上配備機械裝置。如果他想抬手,，這個想法會立即被采集,，然后進入通道。經(jīng)過精確的信號處理和分類,，計算機明白了大腦的意思,，然后向手上的機械裝置發(fā)出“抬手”的指令。
這最后的一步,，才使意念成為現(xiàn)實,。但是在目前，它幾乎很容易就可以實現(xiàn),。人類對計算機的掌握已經(jīng)駕輕就熟,。對于BCI系統(tǒng)來說，這一步是終點,，卻最簡單,。
一套應(yīng)用于殘疾人的理想BCI系統(tǒng)是，將電極帽,、腦電放大器,、計算機處理全部濃縮為一個便攜的盒子，然后無線指揮身體的各個部位,。隨著“算法”的改進,，意念被解讀的速度將會越來越快,，內(nèi)容也會日益完整,。大腦控制失去知覺的身體，也將更加容易,。
但這僅僅是理想,。
清華大學(xué)的實驗室在一篇論文里說，“BCI研究的核心問題是要解決兩個智能系統(tǒng)之間(大腦和計算機)的協(xié)調(diào)問題。對于計算機而言,，人們對其的掌控是有把握的,。但對于大腦而言，事情就要復(fù)雜得多,。”
“當外界環(huán)境發(fā)生變化,，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會很快調(diào)整聯(lián)結(jié)關(guān)系和工作模式來適應(yīng)外界的變化。因此,，對于不同的受試者或同一位受試者,，在不同的時間里完成同一項任務(wù)時，腦內(nèi)活動的模式都將會出現(xiàn)很大的差異,。如何適應(yīng)這種由于生物腦的學(xué)習(xí)機制帶來的變化,，將是BCI最大的難點。”
一言以蔽之,，人的大腦比我們目前所了解的,，要復(fù)雜得多。這是BCI研究的難題,，也是人類試圖了解自己的障礙,。
·背景·
腦機接口技術(shù)(BCI)形成于20世紀70年代，是一種涉及神經(jīng)科學(xué),、信號處理,、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(shù)?；谶@種技術(shù)開發(fā)的醫(yī)療儀器和產(chǎn)品,，可以為運動障礙的殘疾人提供一種全新的手段來實現(xiàn)對外界環(huán)境的控制，也可以為一些特殊應(yīng)用場合提供一種輔助的控制方式,。
除了相關(guān)的基礎(chǔ)研究之外,，科學(xué)家們已經(jīng)開始將目光轉(zhuǎn)移到醫(yī)療器械的開發(fā)上。目前,，清華大學(xué)正在和北京大學(xué)第三附屬醫(yī)院,、中國康復(fù)研究中心等開展合作。他們預(yù)計,，在3至5年內(nèi),，以此技術(shù)開發(fā)的醫(yī)療產(chǎn)品將會走向成熟，并應(yīng)用于醫(yī)療實踐中,。
國際上,，美國布朗大學(xué)得到了美國FDA的批準，允許其進行臨床實驗,。但距離大規(guī)模的投入市場,，還有待時日,。美國國防部以大筆資金在全美資助此科研項目，他們認為BCI技術(shù)在未來的軍事領(lǐng)域前途不可限量,。
現(xiàn)在,，美國紐約州Wadsworth研究中心，奧地利的格拉茨(Graz)大學(xué),，以及德國,、加拿大都在進行前沿性的研究。在中國,、西安交大,、上海交大、華中科技大學(xué),、浙大等院校也在嘗試,，清華大學(xué)的神經(jīng)工程實驗室走在前列。
