打开元宇宙的“大门” 脑机接口让你在现实与梦境之间自由穿梭 原创

人类是想象力的动物。

1999年，电影《黑客帝国》中脑后插管的场景可谓是“脑洞大开”。一根线缆接入大脑后完全接管了大脑的神经系统，人类进入了虚拟的赛博空间。

2009年，电影《阿凡达》中的主角将意识注入远端的生物体，通过意念控制阿凡达，让自己在另外一个世界获得了自由。

这一切只是科幻场景吗？科幻远非现实，但却可以指引现实的未来。

作为地球上最高级的生物智能，人类大脑是一个十分复杂的信息处理系统，而脑机接口技术让“意念控制”不再只是想想而已。

同时，脑机接口也为元宇宙打开了一个“窗口”。通过大脑与电脑的连接，人们可以在虚拟世界中自由地获取信息、开展社交，甚至获取味觉、触觉等多种感官的体验。

脑机接口的前世今生

利用脑机接口，精准地识别大脑的信号，并对其解析，这让在元宇宙内进行的一切行为才能成为可能。

• 1924年，德国医生贝格尔在一位颅骨受损的病人头部检测出脑电波，这是人类历史上第一次记录到的人脑的脑电活动现象，贝格尔医生也因此被称为脑电波之父，脑电图从此诞生。
• 1973年，美国加州大学洛杉矶分校的Jacques Vidal教授首次提出了“脑机接口”这个名词。
• 1999年人类第一次实验证明大脑皮层神经元群可以直接控制机械手臂以来，脑机接口就开始以惊人的速度不断发展。

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是指在人脑和外部机器之间建立一条直接的连接通路，跨越外周神经调节的肌肉组织的行为运动或是语言文字的交流使大脑与外界直接进行信息的交互。通俗地说，脑机接口就是采集在人类大脑活动时神经系统产生的脑电信号，经过各种信号处理算法，将其变换为能被外部机器识别的信号，进而实现大脑直接对外部设备的操控。同时也可以通过脑机接口从外部机器直接输入信号到人脑神经系统，从而影响人脑的神经生理活动，实现人脑与机器之间信号的双向传导。

电子科技大学信息医学中心主任、四川脑科学与类脑智能研究院院长尧德中教授告诉记者，大脑是人体中最复杂的系统，研究脑机接口，也就是研究大脑与外界的信息交流，必然需要对大脑的工作机理有所掌握，因此脑机接口需要神经科学（脑科学）作为基础和支撑，这是脑机接口脑信号的源泉。同时，脑机接口又是一个工程问题，需要用到信息科学、计算机、人工智能一系列方法和技术，因此它被认为是脑科学与信息科学等多学科的交叉。

尧德中教授所带领的团队早在2000年左右就开始了脑机接口方面的研究，涉及神经信息处理、脑电的正反演问题等，是国内在脑-信息交叉领域最早建立的研究基地之一。依托神经信息科技部国家级国际联合研究中心和神经信息教育部重点实验室，团队具有大范围学科交叉和国际化的特色，在脑信息科学领域应该是非常有特色和实力的一支队伍。

脑机接口系统通常包括检测、解码、翻译和控制、反馈等若干模块，而一个优良的脑机接口系统则是这几个环节的最优组合。电子科技大学助理研究员秦云博士表示，解码就是要把大脑的状态解析出来。信息解码出来以后，我们提取特征，输出指令，进行外界设备的控制。这两步完成以后，就是完成的脑控的阶段。反过来，脑控控制的设备会有反馈，经过我们的眼睛、耳朵这些感官输入以后，就可以形成一个闭环的脑机接口。

目前，电子科技大学信息医学中心也在这些方面取得了诸多成果：面向信息采集和宽频脑电设备和芯片、电极等；在脑网络的构建、大脑特征的提取方面，中心的研究文章数量也属于全球领先水平；创新脑机接口的范式，中心提出了脑波音乐的技术、群脑游戏调控的范式，应用在疼痛、情绪、疲劳等调控方面。

在秦云博士看来，目前两大需求引擎不断推动脑机接口向前发展。第一个引擎，就是人类自身的健康问题，特别是在精神类疾病或者是脑老化现象不断突出的当今社会，将脑机接口的技术服务于人民的生命健康的重大需求，并在此需求的驱动下能够发展出新的技术，应该说是脑机接口发展的必经之路。第二个引擎是解决人类智能和机器智能融合的问题。脑机接口研究中产生的一些新的理论、新的范式、新的技术，有望推动产生人工智能的新形态。

从幻想到现实的关键一跳

脑机接口成为元宇宙的入口，并不只是玩游戏，而是要实现现实生活中的创造、甚至编程等等更高级、更精密的操作体验。

目前，美国多家高科技公司如Facebook（已更名为Meta）、Neuralink都在着手进行脑机接口的研发及产业布局。世界上许多国家如美国、日本、中国以及欧盟等国际组织也都把脑科学作为科技发展的战略热点，发布了针对脑科学的研究计划，未来脑机接口技术将会以更快的速度不断向前迈进。

脑机接口技术的应用前景非常的广阔，比如可以帮助人们直接通过思维来控制基于脑机接口的机器人，从事各种工作。脑机接口机器人不仅在残疾人康复、老年人护理等医疗领域具有显著的优势，而且在教育、军事、娱乐、智能家居等方面也具有广阔的应用前景。

例如，作为全球最受关注的脑机接口公司之一，过去两年，埃隆·马斯克（Elon Musk）担任CEO的Neuralink在猪、猴子脑中植入芯片，旨在解决包括失明、瘫痪和听力损失等在内的与脑科学相关的医疗问题。2022年Neuralink会进行初步的人体试验，可能会涉及瘫痪的人使用Neuralink的脑机接口来获得对计算机光标的直接神经控制。

具体来说，人类的需求一方面是解决脑健康的问题，另一方面解决人类智能和机器技能融合发展的问题。其中，在脑健康这个层面， 现有治疗手段依赖药物，但难治性的各种疾病的大量存在，就说明单靠药物是不行的，需要发展非药的技术，发展强脑健脑的脑机接口，可在脑疾病的治疗中发挥作用。

秦云博士表示，在脑功能调控方面，脑机接口可以发挥独特的优势。在一些疾病的诊断治疗过程中，除药物之外，脑机接口提供一种新的治疗方式，比如经颅电刺激这种物理调控的手段可以弥补药物治疗带来的一些副作用或者是治疗无效。

纵观脑机接口发展的50年时间，一个主流的发展模式是依赖技术来找应用，导致脑机接口“叫好不叫座”。“我认为这是制约其发展的一个最重要的思想因素，也就是与需求脱离。目前这些因素还是存在，但已有很多团队开始转变，瞄准需求，在需求牵引下发展脑机接口的相关技术，这样才能够推动脑机接口的真正落地。”尧德中教授说，“脑机接口算法、采集和调控技术不断发展，如何将这些发展的技术与人类的需求真正结合，是在当今以及未来的研究中我们需要关注的。”

不同的场景对脑机接口的形态提出了具体的要求，不是一概而论的。如在面向大众的脑机接口，如针对青少年注意力监测调控的、睡眠调控的、老年人认知调控的技术需要更加生态化、小型化、便携化；在面向脑疾病人群的干预方面，在精准化、个体化方面对脑机接口提出了更高的要求；总体来说，无创脑机接口比侵入式脑机接口拥有更广阔的市场前景，在无创脑信息采集、调控技术、应用方面有望形成商业落地的切入点。

脑机接口技术是一门新兴的研究领域，涉及计算机科学、神经科学、心理认知科学、生物医学工程、数学、信号处理、临床医学、自动控制等多个领域，仍有大量的问题尚待解决，比如数量庞大且复杂的神经元、脑机接口的摩尔定律、信号识别精度低、信号处理和信息转换速度慢、信号采集和处理方法需改进、自适应性较差、对大脑反馈刺激研究进展较慢、缺乏能对BCI系统的性能进行科学评价的评价标准等。

尧德中教授表示，脑机接口的产业链涵盖多个环节，包括脑信息采集技术与设备、脑信号解析技术、脑信息调控技术与设备，这两个方面也是“卡脖子”的环节，需要国家层面的系统谋划。同时，电子科技大学也与微电子集成电路、计算机科学、电路与系统、以及神经科学和临床医学方面的科研单位与企业展开积极合作，推动脑机接口的产业落地。

从脑机接口到脑器交互的变革

如果说脑机接口是元宇宙的重要实现路径，那么脑器交互则是实现意识在数字世界永生的关键。

脑机技术是大脑与外界设备或者外界环境之间建立的一个直接的连接，它就没有经过外周的系统，从而实现大脑与外界设备的信息交换。脑机接口有很多分类，包括根据接口是否具有创伤性，可以分为侵入式的脑机接口和非侵入式的脑机接口。另外，根据信息传输的方向，也可以分为脑控的脑机接口和控脑的脑机接口这两种。近几年，把脑控的脑机接口和控脑的脑机接口进行结合，也越来越受到大家的关注。

当前的脑机接口研究多集中在脑控方面，也取得了一些比较亮眼的展示性应用。脑控脑机接口，重点在信号的获取、解码与应用，因此属于“技术导向”的研究，但技术导向往往与需求的贴合度不够，这也决定了现在的脑机接口研究真正落地的很少。要改变这种窘境，尧德中教授认为需要大力发展“控脑”类的脑机接口研究（包含强脑和健脑），也就是从需求出发，要了解哪些人的脑需要被调控，具体需要调控什么，怎么调控。而这需要更多的脑科学、脑疾病知识，或者更深入的交叉融合。

尧德中教授表示，在脑机接口的研究中，我们注意到不能只简单考虑脑与外界的关系，因为脑与外界的交互一定是受整个人体支撑的，因此脑机接口研究不能脱离脑功能发挥作用的整个人体环境。即我们不仅要关注脑与外界设备的交互，也要同时关注脑与生物器官的交互。“在2010年我们提出了‘脑器交互’的概念，并推动从‘脑机接口’到‘脑器交互’的变革。在这个概念里，既包含了脑机接口的部分，也包含了脑-生物器官交互，这两部分的结合是提升人类智能的根本途径。”

为了促进这一工作，最近电子科技大学信息医学中心与Taylor & Francis合作创办了脑器交互学国际期刊（ Brain-Apparatus Communication - A Journal of Bacomics），这也是国际上在脑机接口领域的第2本专业期刊。

从体验层面看，脑机接口的感知还处于一个很初级的水平，简单的运动意图、外界刺激下的视觉响应这些可以被捕捉解码，触觉等感官体验在脑机接口研究中也有初步的探索。

尧德中教授认为，影响脑机接口解码准确性的一个重要原因是个体差异、状态差异都非常大，个体脑信号的巨大差异往往会导致在部分人上找不到某个脑机接口范式的有用信号（脑机接口盲），这个问题在生物脑实验中是很难解决的，尤其人脑无创研究范式中是很难窥探其内在原因的。要解决这种个体差异的问题，一个有效的方法就是建立脑机接口的理论模型，在个体的虚拟脑上进行脑机接口研究，找到个体的特异性脑信号，并在脑机接口算法层面进行优化适应。在这方面，电子科技大学走在了领域的国际前列，不仅推出了国内首个数字孪生大脑（Digital Twins Brain，DTB）模型，还首次开展了基于DTB的无创稳态诱发电位（SSVEP）脑机接口信号的研究，从而开始了同时基于生物脑和数字脑的双脑BCI研究模式，有可能对未来BCI的发展产生深远的影响。

尧德中教授表示，假如建立了一个人的精确的数字孪生脑模型（DTB），人的思维、记忆等就能够在这个脑模型中存储、运行、迭代更新。当然这个技术依赖于对大脑机制的精准刻画、依赖数字脑模型的精准建模，这是类脑研究的必经之路，这两个方面的技术是非常困难的，也是值得我们长时间探索的。我们团队建立了的DTB，如果未来这个数字孪生脑模型进化到足够的精细、能更真实地反映大脑活动，实现脑功能的“孪生”，那未来意识在数字世界永生也是可能的。

脑机接口的想象空间

脑机接口让真实与虚幻、线下与线上、现实与梦境的界线不再泾渭分明，数字世界与物理世界并驾齐驱，新的文明由此产生。

目前，脑机接口已经取得了不俗的成绩，而且随着多元化技术的涌现，脑机接口产业的想象空间正在被打开。

比如目前火热的元宇宙，秦云博士表示，元宇宙世界中虚实交融的沉浸式交互体验需要人与环境直接地、快速地、自然地交互，脑机接口就能够在其中发挥重要的作用。同时，云宇宙的发展需求也对脑机接口技术提出了新要求，例如解码效率和准确度的进一步提高，这也是当前脑机接口技术发展需要突破的。

人类智能与目前发展出的机器智能各有所长，人类智能擅长抽象思维、逻辑推理，机器智能擅长大规模计算、海量存储，通过脑机接口技术，将有可能建立一条人机连接的通路，实现人类智能和机器智能的互联。比如对于人工智能，AI在完成很多任务时，对训练样本数是有要求的，而人脑在这方面具有AI无法企及的优势。人脑与AI结合，既能够提高生物智能也能够提高机器智能，在目标识别、推理、 决策等方面有望胜过单纯的AI。

秦云博士说，现在情感脑机接口和认知脑机接口也是发展非常迅速，这会对大脑中的情感、意识、思维的运行方式有一个更好的解读，启发内脑智能，对人工智能的发展有重要作用。“在未来的某一天，我们或许可以建立一个人的数字孪生脑模型。在这个脑模型中，人的思维、记忆就可以存储运行甚至是迭代更新。当这个数字脑模型能够做到足够的精细，能够真正真实地反映大脑活动的时候，脑功能的孪生就可以实现，人类的意识就可能会在这种元宇宙中得到永生。”

尧德中教授则表示，通过脑机接口实现意识交流的应用场景非常有限，因此将脑机接口的应用限定在控制外界的辅助设备是远远不够的，需要从理论、技术、应用各个方面进行拓展。未来，中心会更多关注输入类脑机接口，即如何通过特定信息的输入，干预调控大脑，达到治病防病、提高健康脑水平的目的。

除技术性问题外，脑机接口技术还面临着哲学伦理的审思。在哲学的角度上，人或动物都具有自然属性，而机器属于非人类力量。而在脑机接口系统中，自然人与机器之间清晰的界限被打破。人类不再仅仅是基于肉体基础的有机存在，而是变成了和机器等无机成分混在一起的混合存在。人或动物甚至是生命本来是自然的馈赠，但未来或将由于脑机接口技术而变成深度技术化的产物。

总之，脑机接口的科学伦理问题，一直都没有改变，这体现在三个方面：行善、尊重人和正义。当人的大脑意识可以被准确的读取，那么则意味着大脑当中丰富的隐私数据将有可能会被泄露或窃取，随着脑机接口技术的发展，未来无疑将需要提供足够安全的措施来保障用户的隐私数据安全。

展望未来，尧德中教授认为，脑机接口的发展在这几个方面会走得更远：一是脑机接口增强人的认知能力，以往的研究更关注的是脑机接口输出后对设备端的操控，而大脑端的增强应用前景更广阔；二是脑机接口在启发类脑智能的研究有望推动新的智能形态发展，如情感智能、认知智能直至孪生智能；另外，脑机接口的研究要打破现有的经典范式的约束，神经康复、认知增强、精准干预等都对脑机接口的范式提出了新的需求。站在“脑器交互”的视野下，理解脑与器官/器械之间的协同交互，发展更加生态、系统的交互范式，对脑机接口的真正落地具有重要意义 。