跳过媒介，我们能不能只用思想控制计算机？

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发布时间：2019-04-29

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图源：Google

无论何时，我们使用技术都需要一个中间环节。打字需要键盘，移动光标需要鼠标，控制儿童动物玩具需要遥控器。

想象一下，假如世界上不存在这些中间步骤，只需用思想就能控制这些设备呢？这种想法现在听起来似乎很疯狂，但是在未来，技术将会使其成为现实。脑机接口（brain-computer interfaces，BCI’s）技术就意在切断中间步骤，具备实现这种想法的潜力。

什么是脑机接口？

脑机接口是一种可以通过各种脑部活动实现人类与机器交流的设备，也称脑机介面（brain-machine interface，BMI）。顾名思义，脑机接口能够使大脑和计算机进行交互，也就是说，这是一种只用大脑（无需键盘）就能与机器交谈的设备。

由于神经活动的复杂性，实现脑机接口的方法很多，可以归为三类：

· 侵入式

· 半侵入式

· 非侵入式

侵入式脑机接口

大多数人都不会希望把设备植入到大脑中。但是侵入式脑机接口是最精准的类型，因为侵入式是直接将设备接入到大脑皮层中，能够监测每个神经元的活动。

我们需要使身体认为这个侵入式设备是身体的一部分，但是我们不能确定身体是否会对这个异物起反应。微电极周围的疤痕就是其中一个结果，疤痕会干扰信号和精确度。而且当设备与大脑整合在一起之后，要想移除或改变这个设备也需要面临很多挑战。

可植入到大脑皮层的微电极

植入微电极风险极大、成本巨高，短期内不可能进入主流市场，主要服务于于盲人、瘫痪者以及其他想要改善生活质量又别无他法的人。

· 优点：更精确；由于信号更加精确，应用范围更广。

· 缺点：价格昂贵，需要做高风险的手术，可能会留疤痕而且永久干扰。

半侵入式脑机接口

虽然这种方法并不是完全侵入的，但是仍然需要进行开颅手术。半侵入式脑机接口需要一种叫做脑皮层电流描记法（Electrocorticography，ECoG）的监测方法，这种方法需要将电极放置在大脑裸露面上，才能监测大脑皮层的脑电活动。

图源：Neurotech Edu

脑皮层电流标记法的最大好处是噪音小。因为信号不需要传递太远就能到达电极，所以空间分辨率高，也就是说，可以更清楚地看到信号的来源。

很小的动作，比如眨眼睛，就能使大脑产生脑电活动。但是在研究信号的时候，我们通常不会关注这种无意识活动，这些只会干扰我们真正要寻找的东西。与非侵入式脑机接口相比，脑皮层电流标记不受噪声的影响，更容易解释。与侵入式脑机接口相似，脑皮层电流标记需要进行开颅手术，所以只用于医疗。

· 优点：数据清晰，比侵入式风险小。

· 缺点：成本高，仍然需要手术。

非侵入式脑机接口

如果你不能接受开颅，不要担心，还有一种选择。

图源：Cnet

最流行的一种非侵入式脑机接口是脑电描记法。与其他非侵入式方法不同，脑电描记法专门测量电信号。从本质上讲，钠离子通道打开并放电，使神经细胞内带正电。信号从这个神经元传递到更多神经细胞，从而产生更多正电荷。

脑电描记法只能测量一串放电神经细胞的活动，不能测量单个神经细胞的活动。这是因为电极是放置在头皮上的，信号传递较远，导致空间分辨率较低。

步骤：

· 收集

· 放大

· 解释

· 输出设备遵守的指令

脑电描记法收集大脑信号的数据，放大并解释这些数据。为了收集数据，需要将电极放置在头皮上。因为这些信号传输距离较远，需要穿过组织和头皮才能到达电极，所以信号需要经过放大才能将微伏信号转变为可被数字化的信号。之后，需要对数据进行预处理，清除破坏性因素。

为了最后解释信号，数据经算法解释之后，传递到一个反馈装置。例如，特定信号信息经过解释后，实现在屏幕上移动光标，用户可以将光标移到目标位置。

· 优点：非侵入，成本相对较低，便于携带，时间分辨率高（显示实时活动）。

· 缺点：空间分辨率低（由于信号传导距离远，监测范围受限）。

虽然脑电描记法在信号检测上不够精确，但是很多公司会在普通用户产品中使用脑电描写法。

还有几种其它类型的非侵入式脑机接口，比如脑磁图描记术（Magnetoencephalography，MEG），它监测脑电流产生的磁场。因为磁场比电场在颅骨上产生的干扰活动更少，所以脑磁图描记术的空间分辨率更高。

图源：The New Economy

另外一种非侵入式脑机接口功能性磁共振成像（Functional magnetic resonance imaging，fMRI）使用磁共振成像技术生成神经影像。这种接口通过监测血流量变化来监测脑部活动。当大脑的某个区域活跃时，该区域的血流量也会增加。

大体上就是，当大脑的某个区域工作时，需要毛细血管红细胞输送更多的氧气到神经元。功能性磁共振成像就是测量不同活动引起的含氧量变化的。

功能性磁共振成像与磁共振成像不同，功能性磁共振成像关注的是功能而非结构。比如，使用功能性磁共振成像时，需要病人移动胳膊或者执行某个任务，然后根据上述功能测量氧活性，也可以用来确定机体是否正常（例如，在执行某项任务时，脑部活动是否不足）。

下图详细展示了脑电图描记、磁共振成像和功能性磁共振成像的差异。

图源：Imotions

大脑信号究竟是如何工作的呢？

神经元

我们的大脑中有接近上千亿个神经细胞，称为神经元。我们的记忆、活动、思想、情绪以及造就我们的一切都是神经元产生的。即使像眨眼这种简单动作，也是由神经元控制的。神经元有三个主要部分：

· 轴突：神经元的一部分，传导由胞体发出的电脉冲。

· 树突：神经元的延伸部分，可以接收电脉冲并将其传递至胞体。

· 突触：一个神经元的轴突与另一个神经元的树突连接的部分；也是脉冲产生的部分。

神经元之间的交流

树突是从其他神经元接收信息的树状结构；信息以化学信号神经递质的形式传递。神经递质引起细胞内的电性变化，在神经元胞体内进行解释。神经元胞体接收树突的信息后，传递到轴突丘。如果树突的信号足够强烈，信号将会被传递至细胞的下一个部分，也就是轴突。

想象一下：你在邮箱中接收邮件时，如果这封邮件非常重要，你就会把它放到桌面上。这封邮件就是神经递质，邮箱就是接受信息的树突，而你就是轴突丘，判断信号是否足够强烈，能否继续传递。如果信号到达轴突，这种现象就是动作电位；也就是神经元发出信号。

但是神经元是如何判断信号是否足够强烈的呢？虽然这并不像垃圾邮件分类那样容易，但是每个信号在到达轴突之前都会经过一个过程，这个过程就是……

动作电位

当你进入一个带有自动门的商店时，你会注意到只有触发自动门时，自动门才会打开。当然，门有打开的趋势，但是如果没有触发，门就会一直保持关闭。动作电位与之相似。在受到刺激时，神经元的动作电位才会启动，否则就会一直保持静息状态。

动作电位是膜电位的瞬时逆转，只允许神经元内电信号发出。神经元内静息膜电位大约为-70毫伏，能够对神经元产生影响，称为去极化。这意味着膜电位极化减小，接近于零。

神经递质与受体相互作用导致神经元反复去极化，神经元最终达到阈电位。通常阈电位在-55毫伏左右。需要注意的是，这是在全有或全无的情况下；如果信号不够强，达不到阈值，那么什么都不会出现。

当达到阈值时，大量钠离子通道打开。钠离子会突然进入细胞内，因为钠离子带正电荷，所以就会形成大量去极化。在此之前，膜电位带负电，但是现在正电荷增加。这个阶段为动作电位的上升阶段。

最终，动作电位达到峰值，钠离子通道关闭。同时，钾离子通道打开，钾离子流出细胞。因为钾离子带正电荷，钾离子离开细胞导致复极化，膜电位恢复至负电。一旦钾离子通道关闭，神经元最终将恢复至静息膜电位。

动作电位产生的信号经神经元传递下去，并使轴突末端的神经递质释放至下一个神经元。之后信号沿轴突传递至轴突末端，在轴突末端神经递质释放，经过突触联系到达连接树突。

突触是两个神经元相邻部分，能够在彼此之间传递化学信号。神经元之间并不是相连的，中间有个极小的缝隙。

当你下地铁时，在地铁门与站台中间有个缝隙，但是你仍然能够下车前进，这就是突触联系。信号发出的神经元为突触前神经元，接受信号的神经元为突触后神经元。当信号传递至下一个神经元的树突时，就会重复循环。

换个角度来看：我们大脑中的神经元比银河系中的星星都要多……每个神经元每秒发出200次信号，每个神经元与大约1000个神经元相连。

动作电位是一种向整个神经元传递信号的电脉冲。经过这个过程，神经元不断地产生并传递电信号。电信号可以被监测、解释并用来指挥设备。

脑机接口市场现状：正在发生什么？

治疗神经疾病

你或许知道埃隆的“cyporks”。埃隆·马斯克最近展示了Neuralink公司的研究成果，他们把芯片植入到一只猪体内。演示中，设备可以显示猪在进食时神经活动的实时变化。

Neuralink公司的目标是治疗瘫痪、焦虑或成瘾的人。虽然现在距离目标实现还很远，但是演示证明这是公司向研发产品迈出的一大步：一种使用3000多个电极来监测1000多个神经元活动的设备。通过柔韧的发丝状线穿过大脑表面，记录可进一步破译的电信号。该设备直径大约为23毫米，用埃隆的话就是“在头骨上穿一根线”。

最终愿景是有一天每个人都能植入Neuralink；提高我们的认知能力，使我们与人工智能相融合。

监测认知能力

一些脑电图解决方案公司专注于让普通消费者更好地了解他们的想法：

· Emotiv——使用机器学习算法评估压力和注意力；为用户提供可视化分析，帮助用户了解事件。

· Muse——监测沉思和睡眠时的脑部活动；为用户提供反馈，帮助用户了解自己什么时候最专注、什么时候表现最佳。

· Macrotellect——为用户提供反馈，帮助用户了解沉思时的脑部活动，并推出提高注意力和控制力的游戏。

这些产品使用许多指标来监测，包括振幅、声音以及与事件相关的大脑行为。这些产品的一个主要工作原理是测量大脑产生的各种波：