腦機接口發(fā)展史2：無創(chuàng)腦機接口的前世今生

作者：奶樹

如果你對音頻更感興趣，也可以收聽我們的音頻《生物漫游指南》的內(nèi)容～也歡迎在小宇宙、網(wǎng)易云音樂、喜馬拉雅、荔枝FM、豆瓣等平臺訂閱收聽！

用意念操控無人機飛行，讓癱瘓患者重新行走，甚至讓無法言語的人“開口”說話——這些曾經(jīng)只存在于科幻小說中的場景，正通過無創(chuàng)腦機接口（Brain-Computer Interface, BCI）技術(shù)一步步走向現(xiàn)實。

在所有BCI技術(shù)中，無創(chuàng)腦機接口因其無需手術(shù)、安全性高的特點，成為了最先進入大眾視野并展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力的領(lǐng)域。而無創(chuàng)腦機接口的歷史，要從一個世紀前那張模糊的腦電圖開始，這也是人類追尋如何學(xué)會“閱讀”大腦的語言的開端。

心靈感應(yīng)的執(zhí)念：腦電圖的誕生

無創(chuàng)腦機接口的歷史，與一位名叫漢斯·伯格（Hans Berger）的德國精神科醫(yī)生的故事緊密相連。伯格的科研之路，始于一次驚心動魄的經(jīng)歷。

年輕時，他在騎兵部隊服役，一天在訓(xùn)練中不幸從馬上摔下，險些被后方的大炮車碾過。幸免于難的他，當晚竟收到了久未聯(lián)系的家人的電報，詢問他是否平安。原來，在他遇險的同一時刻，遠方的姐姐心中突然感到一陣強烈的不安，堅信弟弟身處險境。

這次巧合在伯格心中埋下了一顆種子，他開始癡迷于“心靈感應(yīng)”的可能性，并猜測在極端情緒下，大腦或許能發(fā)出某種物理信號被遠方的人接收。這個看似天馬行空的想法，驅(qū)動他將余生投入到對大腦電活動的研究中。

漢斯·伯格

在伯格之前，已有科學(xué)家在動物大腦上檢測到了微弱的電信號，并將其稱為“腦電波”。但從未有人成功記錄到來自人類頭皮的腦電信號，主要原因在于打開頭顱檢測腦電波，在絕大部分人看來仍然非常危險且后果難以預(yù)測。但是隨著研究的進行，伯格逐漸發(fā)現(xiàn)，和過去的動物實驗不同，其實我們無需打開顱骨也能捕捉到這種信號。

在經(jīng)歷了多年坎坷與失敗后，1924年，他終于取得了突破。借助當時西門子最精密的電流計，他將電極貼在自己兒子的頭皮上，成功記錄下了人類歷史上第一張腦電圖（Electroencephalogram, EEG）。

人類歷史上檢測到的第一份腦電圖（第一行）

伯格發(fā)現(xiàn)，這些腦電波并非雜亂無章，而是呈現(xiàn)出規(guī)律性的節(jié)律。他將人在閉眼放松狀態(tài)下出現(xiàn)的規(guī)律波形命名為α波（Alpha Wave），而當人睜開眼睛，進入專注思考狀態(tài)時，α波會消失，取而代之的是頻率更快的β波（Beta Wave）。此外，他還發(fā)現(xiàn)了與睡眠狀態(tài)相關(guān)的δ波和θ波。

伯格醫(yī)生與他使用的電流檢測儀

然而，由于伯格性格內(nèi)斂，且擔心這個結(jié)果太過離奇而不被接受，他將這些開創(chuàng)性的數(shù)據(jù)塵封了五年之久，直到1929年才公開發(fā)表。

果不其然，學(xué)界最初對此充滿了懷疑。直到1934年，諾貝爾獎得主埃德加·阿德里安（Edgar Adrian）成功重復(fù)了他的實驗，伯格的發(fā)現(xiàn)才得到主流學(xué)術(shù)界的承認。漢斯·伯格發(fā)明的EEG技術(shù)，被公認為是世界上第一個腦機接口，它為無創(chuàng)地“竊聽”大腦活動打開了一扇大門。

從藝術(shù)到應(yīng)用：BCI概念的萌芽

EEG的出現(xiàn)，讓人們第一次能夠?qū)崟r觀察大腦的“情緒”。最早的腦機接口應(yīng)用，出人意料地出現(xiàn)在了藝術(shù)領(lǐng)域。

1965年，美國先鋒派作曲家阿爾文·盧西爾（Alvin Lucier）創(chuàng)作了一部名為《獨奏者音樂》（Music for Solo Performer）的作品。表演時，他將EEG電極貼在頭上，系統(tǒng)會捕捉他大腦產(chǎn)生的α波，并將其轉(zhuǎn)化為信號來敲擊大鼓、鈸等打擊樂器。表演者需要通過閉眼來產(chǎn)生α波，“演奏”音樂。

這可以說是最早的“腦波音樂”，也是BCI最早的雛形之一。

《獨奏者音樂》現(xiàn)場

真正從科學(xué)上提出“腦機接口”概念的，是法國計算機科學(xué)家雅克·維達爾（Jacques J. Vidal）。1973年，他在一篇論文中首次使用了“Brain-Computer Interface”這個術(shù)語，并構(gòu)想了一套完整的系統(tǒng)框架：通過EEG捕捉大腦的輸出信號，利用計算機算法進行解碼，最終實現(xiàn)讓大腦直接控制光標、假肢等外部設(shè)備。他自己也實現(xiàn)了腦電波控制光標的簡單操作。

維達爾提出腦機接口概念時的設(shè)計圖

然而，在維達爾提出概念后的近二十年里，BCI的研究一度陷入沉寂。受限于當時計算機的處理能力和信號解碼算法的落后，加之分子生物學(xué)、太空探索等領(lǐng)域吸引了大量科研經(jīng)費，腦機接口的發(fā)展進程相對緩慢。

直到八九十年代，相關(guān)的應(yīng)用才開始逐漸涌現(xiàn)，比如在1988年，有團隊發(fā)表了第一篇用EEG控制實體機器人移動的論文，他們利用睜眼和閉眼時α波的變化來啟動和停止一個微型機器人。

意念控制的N種方式：現(xiàn)代無創(chuàng)BCI范式

隨著計算機技術(shù)和算法的飛速發(fā)展，無創(chuàng)BCI在20世紀90年代后迎來了蓬勃發(fā)展期，并衍生出幾種主流的技術(shù)范式。

運動想象（Motor Imagery）

當我們想象自己移動左手或右手時，大腦中負責運動控制的區(qū)域會產(chǎn)生特定的、可被EEG檢測到的電信號擾動，這被稱為“感覺運動節(jié)律”。通過解碼這些信號，就可以實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。

1991年，已有團隊開發(fā)出通過想象手臂揮舞動作來控制電腦光標上下的系統(tǒng)。2013年，美國明尼蘇達大學(xué)的賀斌教授團隊更是實現(xiàn)了讓受試者通過想象握左拳、握右拳或雙手同時握拳，來分別控制無人機左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或上升。

控制無人機時左右手握拳檢測到的腦電信號

這一技術(shù)最激動人心的應(yīng)用，莫過于2014年巴西世界杯的開幕式。一位下身癱瘓的青年，身穿一套外骨骼機器人，頭戴EEG腦電帽，通過“想象”踢球的動作，成功開出了比賽的第一球。

2014年巴西世界杯開賽時的第一球

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）

這是利用視覺皮層對特定頻率閃爍光的反應(yīng)來實現(xiàn)控制。簡單來說，屏幕上可以設(shè)置多個閃爍的按鈕，每個按鈕的閃爍頻率都不同（如6Hz, 7Hz, 8Hz）。當你的眼睛注視其中一個按鈕時，你的大腦視覺皮層就會產(chǎn)生一個與該按鈕閃爍頻率相同的腦電信號。

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位原理圖

計算機通過識別這個特定的頻率，就能判斷出你想按哪個按鈕。 我國清華大學(xué)的高小榕教授團隊是該領(lǐng)域的全球領(lǐng)先者。他們曾為一位得了漸凍癥、只有眼睛可以移動的患者定制了一套這樣的系統(tǒng)，讓他可以正常說話。

P300電位

當你在眾多信息中，突然看到一個你正在期待或覺得新奇的目標時，你的大腦會在大約300毫秒后產(chǎn)生一個被稱為“P300”的特殊腦電信號。1988年，美國科學(xué)家伊曼紐爾·唐欽（Emanuel Donchin）利用這一原理發(fā)明了“P300拼寫器”。

霍金專屬的P300拼寫器

在一個由字母和數(shù)字組成的矩陣中，各行各列會隨機快速閃爍。使用者只需盯住自己想輸入的那個字母，當該字母所在的行或列閃爍時，大腦就會產(chǎn)生P300信號，系統(tǒng)捕捉到這個信號后，就能確定用戶想要選擇的字母。這套系統(tǒng)也曾被嘗試用于為斯蒂芬·霍金開發(fā)新的交流工具。

機遇與瓶頸：無創(chuàng)BCI的未來之路

無創(chuàng)腦機接口的最大優(yōu)點顯而易見：安全、便捷、接受度高。它不需要進行任何外科手術(shù)，只需佩戴一個類似頭盔的設(shè)備即可，這使其在商業(yè)化和普及方面具有巨大潛力，而中國在這一領(lǐng)域的發(fā)展已處于世界前列。

然而，它的缺點也同樣突出。由于顱骨和頭皮的阻隔，EEG信號非常微弱，且空間分辨率低，我們只能獲得一個模糊、概括的大腦活動信息。這就好比隔著體育場聽里面的歡呼聲，我們能判斷出比賽的激烈程度，卻無法聽清每個觀眾在喊什么。因此，無創(chuàng)BCI能傳遞的信息帶寬有限，控制的精細度和直觀性也較差，往往需要使用者進行大量的訓(xùn)練來適應(yīng)系統(tǒng)。

未來，人工智能和先進的解碼算法有望進一步提升無創(chuàng)BCI的性能，從有限的信號中挖掘出更豐富的信息。但要實現(xiàn)真正科幻級別的、復(fù)雜而靈活的“心靈控制”，我們或許還需要深入大腦內(nèi)部，聆聽神經(jīng)元之間更直接的對話。這，便是我們下一期，侵入式腦機接口將要講述的故事。