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在年上映的电影《阿凡达》中，主人公利用一个机器直接将自己的心智移植到了另一个非人类身体上，能随心所欲就像操控自己一样地操控这具非人类的身体。这并非是天马行空的幻想，而是基于早已有之的“脑机接口”技术的的合理设想。

电影中所展现的利用意念操控阿凡达，实际上就是运用了脑机接口技术，在人脑与计算机等外部设备之间建立直接的连接通路。

在央视《加油！向未来》节目中，失去右手的女孩林安露经过长达半年艰苦的训练后，终于能够借助智能义肢与郎朗一起演奏钢琴曲。林安露就是借助于脑机接口技术，从而实现对于义肢的控制。

现在，请跟我们一起了解神秘的“意念控制术”。

定义｜脑机接口

脑机接口（BCI），有时也称作“大脑端口”或者“脑机融合感知”。

脑机接口=脑+机+接口，即在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立的连接通路。

据报道，ElonMusk要开发脑机接口，是出于对人工智能的恐惧。他认为，按照目前AI的发展速度，用不了多久人类就会被AI所统治，沦为傀儡。因此，他希望找到一种方法，让人类对抗AI。唯一的方法，就是让人类变得更强，不再依赖于独立的AI，让AI作为单纯的工具而存在。

下面举一个简单的例子

一个人工智能机器人、一个人类和一个被植入脑机接口的“超级人类”同时在大街上目睹到一起抢劫案，他们会怎么做？

机器人可以将输入信号（抢劫场景）快速地转化为输出结果（报警通讯信号）。而人类则需要借助手机这个媒介来输出结果。由此可以看出人类的输出方式较为低效。

脑机接口充当了大脑与数字世界的媒介。“掏出手机-拨打”这个物理过程被当作指令直接发送给了相应的电子设备，从而执行输出结果。这将达到与人工智能相同的效率。这样一来，人类的意志和思维，可以直接与数字信号对接，从而逆转了人类“输出端”低效的缺陷。

脑机接口技术大科普

01人类大脑的基本知识

在大脑产生动作意识或受到外界刺激时，神经细胞会产生几十毫伏的微弱电活动,大量神经细胞的电活动传到头皮表面形成脑电波,会体现出某种节律和空间分布的特征。

鉴于这是一个认知神经科学与人机交互研究相融合的一个典型新生领域，所以在了解脑机接口技术前，了解一下大脑的工作原理是非常有必要的。

大脑主要分为大脑皮层（灰质）和皮层下组织两个部分。皮层下组织主要是与个人生命存活相关的基本功能区域。

大脑皮层是高度进化的脑组织，是人类脑组织中最大、最复杂的部分，既负责综合感觉、运动处理等复杂心理功能，也负责包括推理、计划、语言加工和模式识别等高级功能。

简单来说，大脑皮层一直充当人脑遥控器的角色。

人的大脑是由数以万计的神经元组成的，神经元由两部分组成:细胞体和神经纤维。大脑的灰质是由神经元的细胞体构成的,白质是由神经元的神经纤维构成的。简单来说，脑电波就是这些神经元之间的活动产生的电信号。

02脑机接口基本工作原理

借助高性能的生物电信号采集系统以及专门设计的计算机算法,神经电活动的变化可以通过一定的手段检测出来。通过对这些特征信号进行检测、分析和处理,分辨出引发脑电变化的动作意图,再用计算机语言进行编程,将人的思维活动转换成命令信号驱动外部设备,实现人脑对外部环境的控制。

以举手运动为例，基于运动皮质的脑机接口的目的是，当运动皮质发出命令时，脑机接口能够收集到这个命令，把命令传递给外部设备，让设备做出和你的手类似的反应。神经连接你的运动皮质和你的手，而脑机接口就负责连接你的运动皮质和一台计算机。

03脑机接口四步骤

步骤01采集信号

信息采集的环节主要依靠脑机接口器件实现。而脑机接口的分类，则通常是根据“侵入性”被分为：穿戴式（脑外）、植入式。

图源刘景全教授学术报告

穿戴式是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录和解读。

图源维基百科

EGG脑电极技术是典型的穿戴式技术，该技术具有易用性、便携性和相对低廉的价格。EEG已经在人机交互研究领域得到了广泛应用。比如，利用脑电记录技术进行单调环境中(如高速公路的长途驾驶)工作人员的唤醒度和疲劳度等精神状态的评估等。

图源刘景全教授学术报告

植入式是指通过手术等方式直接将电极植入到颅腔内。植入式又根据是否植入大脑皮层内，划分为脑皮层电极和探针型脑电极两种。

图源刘景全教授学术报告

脑皮层电极是将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于探针型电极，但是却优于穿戴式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。脑皮层电极技术主要采用的是平面型脑机接口器件。

Neuralink是由特斯拉的首席执行官ElonMusk创建，其研究重点在于创建可植入人脑的设备。该公司主要采用的是平面型脑机接口器件。用薄膜聚合物做成的脑机接口具有精细灵活的特点，但是它们太软太灵活了，这增加了植入手术的难度。Neuralink为此专门开发了一种用于植入柔性探针的神经外科机器人。这种机器人每分钟能植入6根探针，快速可靠，并且能避开血管并从分散的大脑区域进行记录。

图源刘景全教授学术报告

探针型脑电极是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。另外，由于异物侵入，可能会引发免疫反应和愈伤组织（疤痕组织），导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。

总的来说——

信号强度及分辨率：

EEG脑电极脑皮层电极探针型脑电极

安全性：

探针型脑电极脑皮层电极EEG脑电极

步骤02信号分析

当收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码处理。这一环节主要进行的是处理干扰，脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰。

分析模型也是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有EGG脑电图，皮层脑电图（ECoG），等模型协助你分析。

步骤03再编码

如何编码取决于你希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号。但是在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹是非常困难的事情，因为现在的计算机视觉做不到三维空间的精确识别。

图源刘景全教授学术报告

年，一位女性瘫痪者大脑控制机械手臂首次拿起金属咖啡杯，用吸管喝咖啡。

步骤04反馈

“反馈”指的是获得环境反馈信息后再作用于大脑。由于技术局限和伦理问题，目前的脑机接口技术暂时难以实现这一过程。这一环节也是目前脑机接口系统和大脑控制系统的主要差距之一。

04脑机接口发展路径

随着研究的深入，脑机接口技术正在高速地发展。我们已经开始攀登脑机接口四层金字塔，逐级“改造”人类，实现进化。

脑机接口四层金字塔

04-01修复

通过心念操纵机器，让机器替代人类身体的一些机能，修复残障人士的生理缺陷。

图源刘景全教授学术报告

年，浙江大学实现国内首例植入脑机接口。患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动，同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。

年巴西世界杯开幕式，瘫痪青年利亚诺·平托穿戴外骨骼，通过脑机接口技术踢出了当年世界杯的第一球。这个项目是由脑机接口领域的专家MiguelNicolelis领导的。

大部分瘫痪患者的部分脊髓神经是完好的，由于与大脑之间信号中断导致神经进入“沉睡”状态，通过脑机接口和外骨骼可以重新激活这些“沉睡”的神经。即使只有一小部分神经保持完好无损，通过这种训练，也可以使患者机体的部分功能得以恢复。——MiguelNicolelis

04-02改善

通过脑机接口，改善用户大脑运行，从而精神焕发、注意力集中、思维敏捷，使用户能够高效清醒高效地去做一件事情。

图源smartcap

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