我們經常看見科幻電影里面人類應用腦機接口技術和外界進行雙向交流, 控制和操作外部設備, 并將外部設備的信息存入大腦. 這種腦機接口技術在科幻電影中已經不算是新鮮題材了, 可是在現實生活中, 腦機接口技術到實際的應用究竟還有多遠呢?

筆者認為, 表面腦電信號(EEG) 由于記錄信號具體形式的問題, 很難提取到大腦神經元放電細節的具體信息, 例如獨立的手指活動的信息. 所以基于EEG 為核心形式的腦機接口一般被認為只能進行一些簡單的操作, 例如操縱設備開閉, 左右上下移動等等 (Meng et al., 2016). 雖然市面上也有一些基于EEG腦機接口商用設備, 不過一般也只能產生一些簡單的操作信號應用于簡單的游戲場景， 遠遠不可能滿足人類現實生活中的一些需求. 雖然也有腦機接口技術應用EcOG采集技術, 就是信號采集電極放在顱骨以內，大腦皮層表面， 而非頭皮表面， 但其能記錄的具體大腦信號還是不能和植入電極相媲美. 而植入式腦機接口由于其將腦信號采集電極直接植入到人體大腦皮層結構里面 (intracortical recording), 因此其采集到的腦信號在時間和空間上的精度遠遠大于表面腦電信號和 EcOG, 因此植入式腦機接口也被認為是腦機接口應用到真實生活中最有潛力的技術方式. 本文接下來只對植入式腦機接口做一個簡要的概括.

說到植入式腦機接口, 那么就不得不提到采集信號用的電極, 這就要說到生產植入大腦電極的一家著名公司, Blackrock Microsystems. 雖然這是一家小公司, 但是在腦機接口界, 也算是頂頂大名了, 因為此公司生產的猶他電極矩陣, 是目前市面上唯一一家被美國FDA 批準的 用于人體實驗的大腦皮層植入式電極. 此電極矩陣為什么叫猶他電極呢? 顧名思義,其最早是由猶他大學的研究者研發的. Blackrock Microsystems 這家公司的前身, 也是由其相關的研究人員成立的. 

目前世界上最大最出名的腦機接口研究機構莫非于 BrainGate了, 這是一個由幾家著名大學和醫院聯合起來的研究機構, 其中包括常春藤名校布朗大學 (Brown University)，在美國醫療研究與醫療儀器開發久負盛名的凱斯西儲大學 (Case Western Reserve University)，硅谷著名的斯坦福大學 (Stanford University)，常年在美國醫院綜合排名前四的麻省總醫院 (MGH)， 以及美國國防部下屬的老兵醫院 (Providence VA Medical Center).

早在2006年, 布朗大學的研究人員就利用植入式的猶他電極證明了此腦機接口技術可以用來控制電腦鼠標 (Hochberg et al., 2006)。 6年之后，布朗大學的研究團隊也表明了腦機接口技術可以進行更復雜的操作。在其研究中，一名癱瘓病人可以利用植入式芯片對機械手臂進行操控，例如喂她喝水，吃巧克力等。

在此后不久，BrainGate 又對此技術開發出新的應用，在這一次的研究中，布朗大學和斯坦福大學的研究人員用其研究表明此項腦機接口技術還可以讓癱瘓病人操縱電腦鼠標進行打字，從而和互聯網實現交流 (Jarosiewicz et al., 2015)。而在2017， BrainGate 研究小組 的另一成員凱斯西儲大學又展示了此項技術的又一大重大突破，用植入式腦機接口控制植入式功能性電刺激裝置，使得脊柱截癱的殘疾人能夠通過意念控制自己的手臂， 喂自己吃東西。 這次技術的突破，不僅是讓植入式腦機接口控制病人自己的軀體，同時也是人類歷史上第一次 從腦信號采集方式 到 軀體控制裝置（功能性電刺激）同時采用植入式技術 (Ajiboye et al., 2017)。

除了BrainGate 研究機構以外，也有一些其他的研究機構對植入式腦機接口技術推動做出了重要貢獻。例如，在2013年匹茲堡大學科學家的研究證明，植入式腦機接口技術不僅可以控制機械手臂，甚至可以操控機械手臂做出多種不同的手部動作，從而滿足腦機接口用戶在日常生活中可能需要的手部抓取的功能 (Collinger et al., 2013)。而巴特萊紀念研究院和俄亥俄州立大學的聯合研究團隊在2016年展示了植入式猶他電極腦機接口技術不僅可以區分不同的手部動作，而且可以用于控制殘疾人自身的軀體， 讓其控制自己的手做出不同的手部動作。 在其研究中，科學家和工程師表明了此技術可以用于控制表面功能性電刺激，收縮失去控制的肌肉，從而使殘疾人對自己的軀體再一次獲得控制 (Bouton et al., 2016)。這也是腦機接口研究史上第一次展示植入式腦機接口直接讓殘疾人控制自己軀體。不同于上面描述的凱斯西儲大學的研究， 這里的研究用的表面電刺激，而非植入式功能性電刺激設備。此外，南加州大學的Richard Anderson 團隊也展示了基于植入式猶他電極的腦機接口技術使得癱瘓病人控制機械手臂做一些控制動作。

雖然這些腦機接口的研究很令人振奮，但是上述這些腦機接口的研究僅僅只是腦機接口技術需要實現的一方面: 解碼大腦的信息，用于控制。 腦機接口很重要的另外一方面則是編譯外界的信息，并將其送入大腦。直觀的說，人的本體感覺和觸覺。2014年， 凱斯西儲大學的Dustin Tyler 團隊證明了使用外周神經刺激技術可以恢復截肢病人的手部觸覺 (Tan et al., 2014)，其后續研究更是表明了此項技術能夠讓截肢病人區分不同的手部觸覺 (Graczyk et al., 2016)。而對于脊柱截癱病人的觸覺恢復，外周神經刺激不再有效，是因為神經信號無法越過脊柱損傷處再傳回大腦 。于是對于脊柱截癱病人的觸覺回復，刺激的部位一定會選擇在脊柱損傷處之上更靠近大腦的地方。匹茲堡大學的研究人員于2016年展示了植入式猶他電極的腦機接口技術可以提供微小電流刺激給大腦的感覺中樞， 從而恢復高位截癱病人的手部觸覺 (Flesher et al., 2016)。

即便植入式腦機接口技術的發展已經有了上述諸多技術上的突破，但是筆者認為，腦機接口技術從成熟到投入到臨床使用，甚至商業化為普通人所使用的道路還很漫長，少則半世紀，多則上百年。

以下是目前腦機接口技術發展的一些重大瓶頸。

對大腦的功能認知仍然不足。 雖然較一百年前相比，人類對大腦的認識有了很大的進步，但是人類對大腦全部 功能的理解和認識還遠遠不夠。個體神經元的放電和高層神經網絡電位波動之間聯系，以及這些基礎電位變化和人體認知行為之間的聯系還有很多很多謎團需要我們去破解。

工程學上對大腦信號記錄方式的欠缺。雖然目前有各種各樣的記錄腦信號的方式， 但是都并不能滿足我們對大腦信號采集的要求。植入式電極作為大腦信號記錄的最精密的方式，其也有著各種各樣的不足。例如，仍何植入式電極都會對大腦皮層造成或多或少的損傷。大腦的排異反應，植入電極的長久機械化學性能的改變，使得目前所有的技術都不能實現對大腦信號的長期持續采集。這正是腦機接口應用過程中面臨的最核心的問題。其次，目前的植入式電極的采集范圍非常有限， 而大腦是一個龐大的精密系統，同時又擁有著復雜的3D結構。 所以目前世面上所有的植入式電極采集技術對大腦信號的提取都是滄海一粟，冰山一角。這也使得我們人類很難對大腦功能的恢復有質的改變。

外部設備的小型化。如果討論腦機接口技術的常用化，那么外部設備的小型化一定是要完成的。大腦信號的采集是一個很復雜過程，采集完成后續的模擬到數字信號的轉化，人工智能算法的應用，以及控制信號產生后與終端設備或是人體經行控制或交流的方式， 這一系列過程中需要使用的外部設備必須要輕便到能夠成為便攜設備。這樣腦機接口的技術才能為人類在日常生活當中使用。這就要求微電子，電路，芯片生產，以及功耗等一系列技術都要有遠遠高于目前水平的質的飛躍。而目前植入式腦機接口技術大都停留在實驗室研究階段，所需要的各類儀器累計在一起至少也有一張飯桌那么大，遠遠不能滿足腦機接口日常化的要求。

工程數學上對腦機接口的控制系統的改進。腦機接口另外一個很重要的方面就是人工智能的算法應用。目前幾乎所有的腦機接口必須每天對實驗任務的進行訓練，然后才能在當天使用。 這樣的特點使得目前所有的腦機接口技術在現實生活中很難得到實際的應用。這也是腦機接口走出實驗室又一大的瓶頸之一。

上述所有的問題都不是簡單能解決的問題，而是需要工程學，材料學，計算機科學等基礎學科共同發展和突破， 從而推動腦機接口技術能夠更向實用化方向邁進一步。 所以像美國國防部下屬的研究所（DARPA）每年擲重金投入基礎腦機接口技術的研究，比如開發一種新的神經接口電極，能夠讓人類同時記錄100萬個神經元活動。我們也看到了除了各大研究所和大學，也有像硅谷Paradromics , Neuralink這樣的公司在努力開發下一代神經接口技術. 我們希望社會各界都能夠更多的支持基礎神經學，工程學，計算機科學的研究, 從而使得腦機接口這樣的技術早日成熟, 造福人類。