什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口的研究已持續(xù)超過40年

腦機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI [4] )，指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實(shí)早已有之，但直到上世紀(jì)九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。

腦機(jī)接口，有時(shí)也稱作“大腦端口”direct neural interface或者“腦機(jī)融合感知”brain-machine interface，它是在人或動(dòng)物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。在單向腦機(jī)接口的情況下，計(jì)算機(jī)或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送信號到腦(例如視頻重建)，但不能同時(shí)發(fā)送和接收信號。而雙向腦機(jī)接口允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。 在該定義中，“腦”一詞意指有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”?！皺C(jī)”意指任何處理或計(jì)算的設(shè)備，其形式可以從簡單電路到硅芯片。

對腦機(jī)接口的研究已持續(xù)了超過40年了。20世紀(jì)90年代中期以來，從實(shí)驗(yàn)中獲得的此類知識(shí)顯著增長。在多年來動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，應(yīng)用于人體的早期植入設(shè)備被設(shè)計(jì)及制造出來，用于恢復(fù)損傷的聽覺、視覺和肢體運(yùn)動(dòng)能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機(jī)接口相適應(yīng)，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識(shí)的進(jìn)展之下，腦機(jī)接口研究的先驅(qū)者們可令人信服地嘗試制造出增強(qiáng)人體功能的腦機(jī)接口，而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。這種技術(shù)在以前還只存在于科幻小說之中。

近期，上海市政府印發(fā)了《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)方案》(以下簡稱《行動(dòng)方案》)。

在2022年11月23日舉行的上海市政府新聞發(fā)布會(huì)上，上海市經(jīng)濟(jì)信息化委主任吳金城介紹稱，上海謀劃未來產(chǎn)業(yè)布局方向，主要考慮技術(shù)的“前沿性”、需求的“突破性”、影響的“顛覆性”、價(jià)值的“戰(zhàn)略性”、前景的“爆發(fā)性”?！缎袆?dòng)方案》包括總體要求、產(chǎn)業(yè)方向、主要任務(wù)和保障措施四個(gè)部分，可以概括為“1+4+5+6”。

“1”個(gè)總體要求是：爭取到2030年，未來產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到5000億元左右。

“4”，就是實(shí)現(xiàn)四大發(fā)展目標(biāo)。吳金城介紹稱，未來，上海將成立5家左右未來技術(shù)學(xué)院，培育15個(gè)左右未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，圍繞5大未來產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)15個(gè)左右未來產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)，攻關(guān)一批核心部件，推出一批高端產(chǎn)品，形成一批“中國標(biāo)準(zhǔn)”，推動(dòng)一批領(lǐng)軍企業(yè)向未來產(chǎn)業(yè)布局，發(fā)展生態(tài)主導(dǎo)型企業(yè)，組建一批創(chuàng)新聯(lián)合體，并打造要素集聚、開放包容的未來生態(tài)，積極參與國際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程，引進(jìn)一批高層次戰(zhàn)略科學(xué)家和企業(yè)家。

“5”，就是打造五大未來產(chǎn)業(yè)集群，包括未來健康產(chǎn)業(yè)集群、未來智能產(chǎn)業(yè)集群、未來能源產(chǎn)業(yè)集群、未來空間產(chǎn)業(yè)集群、未來材料產(chǎn)業(yè)集群。

吳金城介紹，上海將推動(dòng)腦機(jī)接口、生物安全、合成生物、基因和細(xì)胞治療等技術(shù)研發(fā)突破及產(chǎn)業(yè)化;推動(dòng)智能計(jì)算、通用AI、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)、量子科技、6G等技術(shù)研發(fā)突破及產(chǎn)業(yè)化;推動(dòng)先進(jìn)核能、新型儲(chǔ)能等技術(shù)研發(fā)突破及產(chǎn)業(yè)化。如在氫能領(lǐng)域，上海計(jì)劃到2025年，建設(shè)各類加氫站70座左右，建成3到5家國際一流的創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，燃料電池汽車保有量突破1萬輛，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1000億元。

據(jù)介紹，腦機(jī)接口技術(shù)被譽(yù)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的關(guān)鍵核心技術(shù)。構(gòu)建一套完整的腦機(jī)接口系統(tǒng)，既需要硬件支撐也需要軟件支持。其中，軟件內(nèi)容涉及視聽覺刺激呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)讀取與預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與解碼、在線反饋等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本次研發(fā)的平臺(tái)規(guī)范了腦機(jī)接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與預(yù)處理流程，開發(fā)了通用的解碼算法框架，利用雙進(jìn)程和雙線程提高在線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶大腦意圖的獲取、分析和轉(zhuǎn)換等全流程處理。

腦機(jī)接口可以解碼人類的思維活動(dòng)，讓一部分經(jīng)歷過“閉鎖”昏迷的無意識(shí)患者也有機(jī)會(huì)與外界交流。但我們首先得弄清楚，這些無意識(shí)患者到底還能不能對外界刺激做出反應(yīng)。

意識(shí)并不是非此即彼的二元概念，相反，它其實(shí)是一個(gè)在“有意識(shí)”和“無意識(shí)”之間漸進(jìn)的過程，而且分很多種維度。雖然這聽上去像是哲學(xué)家們揣摩出來的定義，但在真實(shí)世界中，它其實(shí)有很大的意義。

2019年，我在比利時(shí)列日大學(xué)醫(yī)院[1]的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)接治了一名21歲的女性，患者剛到醫(yī)院時(shí)被初診為昏迷，但腦電檢查結(jié)果卻顯示，她仍能從一系列隨機(jī)姓名里對自己的名字做出反應(yīng)。此外，她的大腦活動(dòng)還能回應(yīng)[2]一些簡單的問題，這意味著她仍有聽覺，能夠理解信息，還能執(zhí)行指令。如果沒有這些腦電波證明她雖然處于閉鎖狀態(tài)[3]、無法說話或移動(dòng)，但大腦卻仍有意識(shí)[2]，她應(yīng)該會(huì)被直接診斷為昏迷或植物人狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)對這位患者來說至關(guān)重要，因?yàn)闄z查結(jié)果出來之前，醫(yī)生已經(jīng)在和家屬商討患者的臨終事宜了。后來，經(jīng)過積極救治，病人逐漸恢復(fù)了過來，現(xiàn)在甚至能夠自己控制輪椅活動(dòng)了。

一直以來，人們都傾向于認(rèn)為意識(shí)是一個(gè)“全或無”的概念，因此誤以為昏迷或植物人狀態(tài)的病人完全沒有意識(shí)。就連臨床醫(yī)生有時(shí)候甚至也會(huì)漏掉昏迷病人存有意識(shí)的細(xì)微跡象，而這些跡象一般都是由病人家屬最先發(fā)現(xiàn)的。盡管看上去不是這樣，但人在昏迷或植物人狀態(tài)下也可能具有意識(shí)。只是因?yàn)槿藗儗@一群體的關(guān)注實(shí)在是少之又少，患者的意識(shí)才顯得難以察覺。如此說來，閉鎖癥也算是一種字面意義上“無聲”的靜默流行病了。