脑机接口，是在人或动物脑与外部设备间建立的直接连接通路，实现脑与设备的信息交换。在单向脑机接口的情况下，计算机或者接收脑传来的命令，发送信号到脑，但不能同时发送和接收信号，而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。

这一概念其实早已有之，但直到20世纪九十年代以后，才开始有阶段性成果出现。2008年，匹兹堡大学神经生物学家宣称利用脑机接口，猴子能用操纵机械臂给自己喂食。2020年8月29日，埃隆·马斯克自己旗下的脑机接口公司找来“三只小猪”向全世界展示了可实际运作的脑机接口芯片和自动植入手术设备。2023年5月4日，由南开大学段峰教授团队牵头的全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功。

让失语者“发声”速度更快了

9月25日，美国加州大学旧金山分校、斯坦福大学的两个独立研究团队使用新的电极阵列和人工智能程序，开发出了大脑植入物，将失语者的思想转化为文本和语音。

该装置取得了新的突破，失语者的交流语速比此前类似装置快了3.4倍，更加接近自然对话。两个团队分别与一名68岁的患有肌萎缩性侧索硬化症患者、一名47岁的中风患者合作。尽管植入物和研究志愿者个体之间存在差异，但两项研究的结果大致相似。在脑机接口的帮助下，他们达到了每分钟60到80个单词的平均说话速度，几乎是正常人谈话速度的一半，相比之前任何脑机接口所达到的语速至少快三倍。

这两种大脑植入物在设计上存在显著差异。加州大学旧金山分校的研究小组在大脑皮层表面植入了一个薄如纸片的长方体，上面有253个电极，用来记录大脑中一个对语言至关重要区域的脑活动。斯坦福大学的植入物则将两个更小、总共有128个微电极的阵列更深入地插入大脑。

每个研究团队只与一名志愿者合作。斯坦福大学与68岁的帕特·贝内特(Pat Bennett)合作，他患有肌萎缩性侧索硬化症。加州大学旧金山分校则与47岁的中风患者安(Ann)合作。尽管植入物和研究参与者个体之间存在差异，但两项研究的结果大致相似。在脑机接口的帮助下，他们达到了每分钟60到80个单词的平均说话速度，几乎是正常人谈话速度的一半，但比之前任何脑机接口所达到的语速至少快三倍。

该装置在50个单词的词汇量下错误率为9.1%，比此前最先进的语言脑机接口装置低至约1/3。在使用12500词汇量时，错误率为23.8%，团队认为这可能是首次成功演示大词汇量解码的研究。这一成果展示了在帮助严重瘫痪人群恢复沟通能力方面的技术进步。

利用脑电波即可复现歌曲

近日，脑机接口领域再添一笔，凭借大脑电波波形图，可逆向重建歌曲。文字解码以外的又一重大突破！具体来说，就是先用AI来观察某段音乐会让人的大脑中产生什么样的电波，然后直接在有需要的人的大脑里模拟这个电波的活动，以此来达到治疗某类疾病的目的。

在Albany医疗中心，一首名叫Another Brick in the Wall的音乐悠然响起，充斥着整个医院病房。而聆听者却不是医生，而是躺在病床上准备接受癫痫手术的病人们。神经科学家们围聚在旁，从电脑屏幕上观察病人大脑中的电极活动。主要观察的内容，就是大脑部分区域在听到一些独属于音乐的东西后所产生的电极活动，然后看看通过这些记录下来的电极活动能不能复现出他们在听什么音乐。上面提到的属于音乐的东西，包括音调、节奏、和声，以及歌词。

这项研究进行了十来年。加利福尼亚大学伯克利分校的神经科学家们对29位接受过该实验的癫痫患者的数据进行了详细分析。结果是肯定的——科学家们可以根据病人大脑中的电极活动，重建这段音乐。在复现的歌曲中，其中的一句歌词All in all it was just a brick in the wall的节奏非常完整，虽说歌词不算太清晰，但研究人员表示，可以破译出来，并非混沌一片。

而这首歌曲也是科学家们第一个通过大脑电极活动重建歌曲成功的案例。结果表明，通过对脑电波的记录和破解，是可以捕捉到一些音乐元素以及音节的。用专业术语来说，这些音乐元素也叫韵律（prosody），即节奏、重音、抑扬顿挫等等。这些元素是无法单靠语言来表达其中的意义的。

此外，由于这些颅内脑电图（iEEG）只记录在大脑表层进行的活动（也就是最接近听觉中心的部分），因此朋友们不用担心短期内会有人通过这个手段来偷听你在听什么歌（笑）。但是，对于那些得了中风，或者瘫痪，导致交流困难的人来说，这种从大脑表层电极活动进行的复现，可以帮助他们重现乐曲的音乐性。显然，这比之前那种机器人式的、语调呆呆的复现要好得多。

脑机接口的发展历程以及趋势

早在1929年， Hans Berger就实现了对人脑神经电信号的无创记录。这被广泛认为是脑机接口的神经生理学发端。至此，一门学的交叉学科逐步踏上发展壮大的历程。

直到1968年，科研人员首次尝试在神经生理学的基础上控制大脑信号。 Wyrwicka和Sterman记录了猫的感觉运动节律（也称为rolandicα节律或μ节律），并将这些感觉运动节律转化为用于奖励动物并增加其感觉运动节律产生的感觉反馈。在这项研究中，已经建立起了初步的正反馈实验范式。通俗来讲，感觉运动节律被察觉后能够通过动物本能诱导其唤醒更大程度、更明显的感觉运动节律。在这一步，大脑活动引发的电现象已经被正式作为一种生理信号进入了研究人员的视野之中。我们只要稍加思考，就能发现马斯克所采用的实验范式就与此部分相似（猴子得到食物奖励（饮料）后就能引发更加明显的脑电活动，这种脑电活动直接被用于控制游戏的运行）。

同大多数人关注检测脑电信号不同，与此同时，另一拨科研人员则聚焦于一种调节人类大脑活动的技术，被称为神经反馈。Kamiya 在1969发表了第一份关于人类大脑振荡的意志控制的科学报告。报告指出，一旦给予健康的人持续的感觉反馈，他们就能很快的学会改变大脑中的α波（通常反映在脑电数据中）。 在1969年，Fetz证明操作性条件反射可以用来控制猴子单个皮层神经元的放电。

这大概就是脑机接口的前世。对大脑生理学的研究和对工具性学习行为的研究两大板块共同构成了目前绝大多数脑机接口的研究基础。

在过去的20年中，微电极、啮齿动物和非人灵长类的单神经元记录重新点燃并推动了BCI的研究。在这些实验中，动物已经被证实可以学会利用自己的大脑活动来控制电脑光标或机械手臂的运动，并不需要经过手部神经、肌肉的辅助。更重要的是！类似的单神经元记录方法后来在四肢瘫痪患者身上进行了试验！在这里我们可以看到马斯克公司所提出的脑机接口运用于猪、猴子的相关实验在BCIs科研人员眼里到底是什么水平的实践了……

脑机接口在目前为止已经与不同学科交叉并衍生出多种类型，神经生理学下的多个分支均被发展成各具特色的脑机接口，并被应用与运动康复、瘫痪病人日常活动恢复、人工智能、人机交互、机器人设计等诸多领域。脑机接口也存在一些诸如神经机制未知、伦理、失控等的风险，需要科研人员和科技公司共同携手克服，才能早日看到脑机接口（BCIs）服务于人类的那一天。

文章来源： 新智元，凤凰网科技，万能的生物力学君