接口：机器如何“翻译”大脑语言？

你好，我是孙瑜，欢迎回到《脑机接口》课。

一说起脑机接口，很多人第一反应就会想到电影《黑客帝国》。在电影里，只要往主人公尼奥（Neo）的后脑连一个插头，他一下子就能跌入到完全数字化的虚拟世界中。这个过程，大脑里所有的思想就同步给计算机了。

这是科幻片的想象，但现实中，我们做脑机接口面临一个很实际的问题，就是你的大脑里发生的活动，比如对身体发出的指令、思想、情感，甚至是一些潜意识的讯息，到底怎么能传送给计算机呢？这肯定不是装一个插头就能解决的问题。

脑机接口最大的难题，就在于“接口”两个字。我们在发刊词说过，脑机接口要替代语言，变成大脑和外界沟通的全新界面。接口的功能，其实就像语言一样，要把大脑里的讯息理解以后，翻译出来。

这一讲我想用一个“宇宙模型”，来给你讲讲脑机接口领域的科学家，是怎么完成这项工作的。

1 大脑宇宙与人类连接组计划

你一定听过一个著名的比喻，说大脑就是一个“三磅重的宇宙”。

这个比喻我觉得特别形象。要知道，人类大脑神经元的数量将近1000亿，这个数字就和银河系中恒星数量一样多。而我们之所以能完成像是思考、想象这样的复杂认知行为，都是源于这个庞大的神经元网络。

每当你有一个想法，至少有几百万个神经元在大脑里被激发，这个状态就像你从飞机上俯瞰夜晚的城市一样。

《纽约时报》还刊登过两张有意思的照片，一张照片是小老鼠大脑神经元网络，一张照片是宇宙的星系，两张照片并排放在一起，竟然惊人地相似，简直难以分辨。如果你感兴趣，可以在文稿里查看这两张照片。

如果你是科学家，想要理解这么复杂的大脑，你会从哪入手呢？我们大概会想，那当然是搞清楚这些神经元的功能，还有它们彼此之间连接的方式。

这个思路没错。脑科学和神经科学家们，有一个特别宏大的想法，叫人类连接组计划。这个计划就是要给你的大脑宇宙里所有的神经元的排列方式，绘制一幅精准的地图，就像你标注出太阳系里木星、火星、水星的位置一样。

像是哈佛、加州大学、麻省医院这些全球顶尖的学术和医疗结构，都参与到这个计划里来了。

但是这件事真的干起来，它的难度实在是太大了。

文稿里我放了一张图片，你一看就明白为什么了。这是一个小白鼠大脑里很小很小一块区域的神经元结构。这是通过把小鼠大脑切成30纳米的薄片，一层一层分析，最后还原出来的3D模型。它的复杂性已经远远超过我们的想象了。

更何况，我们很少有机会对人类的大脑做这样的切片操作。所以这个项目从2010年开始做，本来计划是5年完成，到2018年也还没有做完。

2 采集大脑的电信号

不过，我在发刊词说过，技术发展的一个特征，就是技术的演进很多时候并不依赖于对理论的透彻理解。虽然说，直到现在我们都不太清楚神经元之间是怎么排布、怎么连接的，但是我要告诉你的，早在1924年，第一个采集脑信号的设备就诞生了。

这是一个叫汉斯-贝格尔的德国医生做出来的。他当时发现，从我们人的头皮上能采集到一些电波一样的信号，而这些电信号似乎和一个人的精神状态有关。比如说，你在比较放松的状态下，会释放一种较为固定的电波，我们称之为α波。

当然，现在我们知道，这是因为大脑的一切活动都伴随着神经元的放电现象，比如当你学习一项新技能的时候，大脑里特定区域的神经元就会开始释放电信号，经过多次练习的巩固，就会形成一条稳定的神经通路，你也就掌握了这个技能。

所以说，电信号就是大脑跟身体沟通的一种神秘语言，这其实就是我们现在经常说的“脑电波”。我们做脑机接口，最想要实现的就是看谁能采集更多、更精准的电信号数据，然后尝试理解这些信号所对应的大脑指令。

3 侵入式脑机接口

那怎么采集呢？摆在科学家面前其实有两条路：要么就像《黑客帝国》一样，把电极放到大脑里去，这叫“侵入式”的脑机接口。要么就是像100年前汉斯-贝格尔那样，隔着头皮，用挂在脑外的设备来采集信号，这叫“非侵式”脑机接口。

这两种探测方式，其实跟科学家探索宇宙的方法如出一辙。接下里我就一一给你介绍一下这两种接口。

对于宇宙的观测者来说，如果技术成熟，那么能发射卫星、飞船进入太空，去登陆火星、月球，一定能带回珍贵的数据。这是侵入式脑机接口的逻辑。现在绝大多数实验室，使用的都是一种叫做“犹他阵列电极”的侵入式脑机接口。

这种设备，能在不到1元钱大小的金属材料上，排布100根像针一样的电极，能采集到几百个神经元的活动。

美国布朗大学在2004年就使用犹他电极完成了第一个侵入式脑机实验，这个实验团队的带头人是布朗大学神经科学系的约翰-唐纳修（John Donoghue）教授，他们研发的这套系统叫做BrainGate，翻译过来就是“大脑入口”。

侵入式脑机接口需要开颅手术，风险很高，你可以想到，侵入式发展经过了多么艰难的过程。愿意接受实验的志愿者，基本都是患有严重身体疾病或者脑疾病的患者。直到2012年，才有一位长期瘫痪的女士，使用BrainGate这个系统，用大脑控制机械臂喝到了咖啡。

而且，我要特别说明一下，这位女士并不是真的用意念操控机械臂，做到了端起咖啡、送到嘴边、倾斜杯子，这一系列复杂的动作。她只是用侵入式接口，触发了一个让机械臂自发运动的指令而已。那时候能做的只是把脑电信号转换成最简单的指令。

4 非侵入式脑机接口

那么跟侵入式脑机相比，非侵入的脑机风险就低很多了，回到我们刚才说的宇宙模型，就相当于科学家在地球上，对星系进行远距离观测。

你很可能在生活中，已经见过非侵式脑机了。我们最常使用的非侵入接口，其实就是医院里面你会见到的脑电图。做脑电图的时候，你会戴上一个布满电极的帽子，电极采集的脑信号会传导给一台机器，分析你的脑电波。比如波形显示出 β波，说明你很紧张。一般人进入睡眠后，脑波频率会下降，变成 θ波。

这种方式的劣势，你肯定也能想到，就是采集到的信号分辨率比较低。颅骨会大量拦截从大脑发放的脑电信号，这就像是说，我们想去听一场演唱会，不只没有门票进去，还是站在非常远的广场上听的。

不过，你也别因此就小看了非侵式脑机接口的潜力。毕竟，天文学家仅仅是通过望远镜观测，也发现了宇宙星系之中的“红移”现象，提出了宇宙膨胀的学说。

5 黑盒子法与脑信号的局限

好，说了这么多，小结一下。刚才我给你介绍了脑机接口的两种形式，侵入式和非侵式接口，并且对比了他们在采集脑电信号上的优劣势。不过，如果你要是觉得，有了脑电信号，科学家们就真的破译了大脑的秘密，那你可就想的太简单了。我这么说，有两个原因。

第一个原因是，我们通过脑电信号，读懂了大脑的语言，这其实是一种假象。脑机接口现在能做到的，只是把分析处理后的脑电信号，跟你的行为、精神状态做一个关联和对应。

这就好比说，你想要学习一门新语言，你通过观察别人，记住了苹果、喝水、跑步这些词汇的含义，但你丝毫不懂这门语言的语法。同样的道理，我们并没有真的破译大脑的算法，从神经元层面理解大脑运作的逻辑。

现在我们理解大脑的方法，其实是一种我们称之为“黑盒子法”的工程师思维。这是人工智能领域里的一个热词，它说的是一种算法背后的逻辑，你并不清楚，但是只要它达成了你想要的结果就行。

第二个原因，我们现在能收集和分析的脑信号，仍然极其有限。

它们基本上都集中在大脑的皮层上面两个区域，一个区域是指挥我们身体动作的运动皮层，一个是负责视觉、听觉等等这些知觉的感觉皮层。

在之后的课程你会看到，我们现在能做的脑机接口实验或者应用，都跟这两种功能相关，这其实就是最主要的原因。

还有太多的生理和心理状态，我们都没有找到对应的脑电信号。比如简单到“看到红色”，“跑”，“害怕”等等，脑科学领域的艰难探索，可以说充分验证了神经科学界那句著名的老话：如果人类大脑真的那么简单，那么拥有这种简单大脑的我们，也是不能理解大脑的。

可能你难以想象，我们做脑机接口这项跟大脑息息相关的技术，却对大脑了解得这么少。还是那句话，技术的突破不一定依赖于理论，甚至可能比理论先行。

我希望你能记住这条技术发展的底层逻辑，因为它在脑机接口这个前沿领域，被反复地被验证。

课后思考题

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