脑机接口如何工作

脑机接口系统之所以能够工作，是因为我们大脑的运作方式。我们的大脑充满了神经元，这些独立的神经细胞通过树突和轴突相互连接。每当我们思考、行动、感受或记住某事时，我们的神经元都在工作。这项工作是由微小的电信号完成的，这些信号在神经元之间以高达每小时250英里（约每小时402公里）的速度传递[来源：沃克]。这些信号是由每个神经元膜上离子所携带的电势差产生的。

尽管信号所走的路径被一种叫做髓鞘的东西绝缘，但仍有一些电信号逸出。科学家可以检测到这种神经活动，解释它们的含义，并利用它们来引导外部设备，如计算机或移动设备。它也可以反过来工作。例如，研究人员可以找出当某人看到红色时，视神经向大脑发送的信号。他们可以安装一个摄像头，当摄像头看到红色时，将这些精确的信号发送到某人的大脑中，从而让盲人无需眼睛也能“看到”。

当今脑机接口研究人员面临的最大挑战之一是接口本身的基本机制。最简单、侵入性最小的方法是一组连接到头皮的电极——这种设备被称为脑电图仪（EEG）。这些电极可以读取大脑信号。然而，头骨会阻挡大部分电信号，并扭曲通过的信号。

为了获得更高分辨率的信号，科学家可以将电极直接植入脑组织本身，或植入头骨下的大脑表面。这样可以更直接地接收电信号，并允许将电极放置在大脑中产生适当信号的特定区域。然而，这种方法存在许多问题。它需要侵入性手术来植入电极，并且长期留在脑中的设备往往会在灰质中形成瘢痕组织。这种瘢痕组织最终会阻挡信号。

无论电极的位置在哪里，基本机制都是相同的：电极测量神经元之间微小的电压差异。然后，信号被放大和过滤。在当前的BCI系统中，它会被一个计算机程序解释，尽管您可能熟悉较老的模拟脑电图仪，它们通过自动在连续纸张上书写模式的笔来显示信号。

在感觉输入BCI的情况下，功能是反向发生的。计算机将信号（例如来自摄像机的信号）转换为触发神经元所需的电压。信号被发送到大脑适当区域的植入物中，如果一切正常，神经元会放电，受试者会接收到与摄像机所见相对应的视觉图像。

另一种测量大脑活动的方法是使用磁共振成像（MRI）。MRI机器是一种庞大而复杂的设备。它能产生非常高分辨率的大脑活动图像，但不能作为永久或半永久性BCI的一部分使用。研究人员用它来获取某些大脑功能的基准，或者绘制电极应放置在大脑何处以测量特定功能。例如，如果研究人员试图植入电极，让某人通过意念控制机械臂等外部设备，他们可能会先让受试者进入MRI，并要求他或她思考移动自己的手臂。MRI将显示在手臂运动期间大脑的哪个区域活跃，从而为电极放置提供更清晰的目标。

那么，BCI在现实生活中有哪些用途呢？请继续阅读以了解可能性。

BCI研究中最令人兴奋的领域之一是开发可通过思想控制的设备。这项技术的一些应用可能看起来微不足道，例如通过思想控制视频游戏的能力。如果您认为遥控器很方便，想象一下用您的思想更换频道。

然而，有一个更大的前景——使严重残疾的人能够独立运作的设备。对于那些遭受脊髓损伤的人来说，像通过精神指令控制计算机光标这样基本的功能，将代表生活质量的革命性提升。但是我们如何将那些微小的电压测量值转化为机械臂的运动呢？

早期研究使用了植入电极的猴子。猴子用操纵杆控制机械臂。科学家测量了来自电极的信号。最终，他们改变了控制方式，使得机械臂仅由来自电极的信号控制，而不是操纵杆。

一个更艰巨的任务是解释那些无法实际移动手臂的人的大脑运动信号。对于这样的任务，受试者必须“训练”以使用设备。在安装脑电图仪或植入物后，受试者会想象握紧右手。经过多次试验，软件可以学习与握手想法相关的信号。连接到机械手的软件被编程为接收“握手”信号并将其解释为机械手应该关闭。此时，当受试者想到握手时，信号就会发送出去，机械手就会关闭。

类似的方法用于操纵电脑光标，受试者思考光标的前进、左移、右移和后退。经过足够的练习，用户可以对光标获得足够的控制，以绘制圆形、访问电脑程序和控制电视[来源：Ars Technica]。理论上，这可以扩展到允许用户用思想“打字”。

一旦将思想转化为计算机化或机器人动作的基本机制完善，该技术的潜在用途几乎是无限的。残疾用户可以不再需要机械手，而是将机械支架连接到自己的肢体上，从而允许他们移动并直接与环境互动。这甚至可以在没有设备“机器人”部分的情况下实现。信号可以发送到手部适当的运动控制神经，绕过脊髓受损部分，从而使受试者自己的手实际移动。

在下一页，我们将了解人工耳蜗和人工眼球的发展。

最常见和最古老的BCI使用方式是人工耳蜗。对于普通人来说，声波进入耳朵，经过几个微小的器官，最终以电信号的形式将振动传递到听觉神经。如果耳朵的机制严重受损，这个人将无法听到任何声音。然而，听觉神经可能运作良好。它们只是没有接收到任何信号。

人工耳蜗绕过了耳朵不工作的部位，将声波处理成电信号，并通过电极直接传递给听觉神经。结果：一个以前失聪的人现在可以听到声音了。他可能听得不完美，但这使他能够理解对话。

大脑处理视觉信息比处理听觉信息复杂得多，因此人工眼球的发展并不那么先进。尽管如此，原理是相同的。电极植入或接近视觉皮层，即大脑处理视网膜视觉信息的区域。一副带有小型摄像机的眼镜连接到电脑，进而连接到植入物。经过与远程意念控制运动类似的训练期后，受试者就能看到东西了。

同样，视力并不完美，但自20世纪70年代首次尝试以来，技术改进已大大提高了它。延斯·诺伊曼是第二代植入物的接受者。他完全失明，但现在他可以独自在纽约市的地铁中穿行，甚至可以在停车场内驾驶汽车[来源：加拿大广播公司新闻]。就科幻成为现实而言，这个过程已经非常接近了。

连接摄像头眼镜和诺伊曼大脑中电极的终端，类似于《星际迷航：下一代》电视剧和电影中盲人工程官吉奥迪·拉·福吉佩戴的VISOR（视觉仪器和感觉器官）所使用的终端，它们本质上是相同的技术。然而，诺伊曼无法“看到”电磁波谱中不可见的部分。

思想控制？

如果我们能向某人的大脑发送感官信号，这是否意味着我们需要担心思想控制？可能不会。发送一个相对简单的感官信号已经足够困难了。导致某人非自愿采取特定行动所需的信号远远超出了现有技术。此外，那些妄图进行思想控制的人需要绑架你，并通过大量外科手术植入电极，你很可能会注意到这一点。

尽管我们已经了解BCI的基本原理，但它们并非完美无缺。原因有以下几点：

BCI创新者

脑机接口（BCI）领域近年来取得了显著进展，多家公司已成为主要参与者。尽管许多创新仍处于研究和开发阶段，但在商业应用方面已迈出了显著步伐。

要了解更多关于脑机接口的信息，请查看下一页的链接。

脑机接口（BCI）的进步正在将曾经的科幻领域转变为触手可及的现实。这些技术不仅有望改善重度残疾人士的生活，还将重新定义人机交互。

随着Neuralink、Synchron和CTRL-Labs等公司不断突破可能性的边界，我们正在见证一场革命的早期阶段，这场革命可能实现意念控制设备、恢复失去的感官，甚至提供与世界互动的新方式。尽管仍有重大挑战需要克服，但当前取得的进展为BCI技术可能成为我们日常生活中不可或缺的一部分的未来奠定了坚实的基础。