脑机接口技术有望完全替代人们损伤或缺失的肢体。
在电影《星球大战：帝国反击战》中，卢克·天行者可以像控制自己的手臂一样灵活自如地控制机械手臂。康拉德·科丁(Konrad Kording)作为星球大战系列的忠实粉丝，相信脑机接口(BMIs)技术的发展迟早会让这些科幻情景成为现实。
“我们已经可以基于一个或少数几个通道实现一些应用”，位于美国伊利诺伊州埃文斯通(Evanston)小镇的西北大学的生物医学工程和康复学教授、神经科学家科丁说，“但问题在于，同时使用成百甚至上千个通道能达到什么样的效果，目前尚不清楚。”他所说的“通道”，是指可以连接到大脑并记录大脑活动的电传感器或光传感器。
“未来的技术能让盲人重见光明，让截肢者像正常人一样自如地控制义肢。” 科丁预言道。
脑机接口有时也被称为脑-计算机接口(BCI)、意念-机接口(MMI)、神经接口(DNI)等，这类系统可以在大脑与外部设备之间建立直接或增强的信息交流通路。
脑机接口技术并不是新的概念。据科丁所述，最早的脑机接口应用之一——人工耳蜗技术，早在1961年就已发明。深部脑刺激，一种将发丝粗细的电极植入大脑的技术，已经被用于帕金森和癫痫等疾病的治疗。他说：“这些应用的共同点在于，它们都属于低维度的脑机接口系统”。也就是说，这些应用连接到大脑的通道数并不多。
图1 Michel Fornasier，一名参加Cybathlon 假肢竞赛的展示者，正在使用他的仿生假肢完成竞赛项目
多年来，研究人员一直致力于推动脑机接口技术在公共、私人以及教育领域的应用。
大多数脑机接口研究重点关注如何将脑信号读取出来。一般来说，脑信号读取常采用脑电图(EEG)、功能近红外光谱(fNIRS)等技术。美国塔夫茨大学(Tufts University)计算机科学教授罗伯特·雅各布(Robert Jacob)说：“EEG信号也可以通过将电极植入大脑来获取，而fNIRS技术通常是非植入式的。”他表示，“还有其他技术可以使计算机读取到大脑信息，比如功能核磁共振(fMRI)、脑磁图(MEG)。但是考虑到脑机接口系统的实用性，这些设备都过于笨重了。”
脑机接口技术的初衷是帮助肢体残疾人士。而如今，雅各布认为这项技术已经逐渐走入人们的日常生活，它有望成为除了传统的键盘、鼠标之外的另一种人机交互形式。
一家名为Brain-Gate (http://www.braingate.org)的研究机构一直致力于研究和开发用于交流和运动功能重建的脑机接口技术，以帮助脊髓损伤、脑干中风以及肌萎缩性侧索硬化症(ALS)病人。美国国家情报局局长办公室的智能高等研究项目组(IARPA)资助了多学科融合的研究，以“更深刻地理解大脑的认知和计算能力”。
2013年，美国时任总统奥巴马斥资1亿美元，用于创新神经技术和脑研究计划(BRAIN)，主动帮助神经科学家理解认知、感知和其他大脑活动的起源。该计划的初衷是希望研制出能够更有效地治疗自闭症、情绪失控以及脑损伤等疾病的手段。该计划的另一个任务是发展和部署神经科学技术，以更加深刻地理解大脑的功能和行为之间的连接。
在BRAIN研究计划的推动下，美国国防部高级研究计划署(DARPA)等联邦机构也参与进来，承担神经工程系统设计项目，以提高神经工程方面的研究能力，协助开发新的治疗手段。
可以说，脑机接口技术迟早会得到埃隆·马斯克(Elon Musk)和布莱恩·约翰逊(Bryan Johnson)等商业大亨的青睐。马斯克是特斯拉和SpaceX公司的首席执行官，他目前正大力支持Neuralink公司研制能够植入大脑的脑机接口设备。约翰逊是在线支付公司Braintree的创立者（该公司于2013年被eBay以8亿美元的价格收购）。他投资1亿美元创办了Kernel公司，以增强人类智能，以及通过植入脑芯片将人们的思维与电脑连接起来。
“一旦有一两个亿万富翁做了点什么，大家就都想投入其中。”科丁说，“如果我是个成功的商业人士，假如有机会做一些非常酷、非常令人激动的事情，那有什么比研究大脑更有趣呢？”
企业家们的青睐刺激了全球脑机接口市场的增长。据美国旧金山的市场研究公司Grand View Research的报告显示，2014年脑机接口市场估值达到7.23亿美元，预计到2022年，复合年增长率(CAGR)会超过10%。
“在可预见的将来，随着神经功能紊乱和神经功能衰退患者数量的增加，这一市场份额还会继续提升”，该公司表示，“经过研发人员的努力，目前已经研制出头戴式治疗认知功能损伤的前沿产品。”
根据Grand View Research的报告，医疗健康方面的应用是脑机接口技术最大的垂直领域，2014年该领域占据市场总份额的50%以上。紧随其后的是交互控制、游戏娱乐以及智能家居控制等。
美国波特兰的Allied Market Research公司预测，到2020年，脑机接口市场规模可达14.6亿美元，复合年增长率预计在11.5%左右。
美国市场研究公司Future Market Insights指出，驱动脑机接口快速发展的重要因素是该技术与医疗和军事国防领域的结合，以及面向残障人士和老年人的交流技术的研发。该公司预测，脑机接口技术与物联网、智能家居以及虚拟现实技术的结合，也将受到越来越多的关注。
卡内基梅隆大学人机交互系博士生范妮·刘(Fannie Liu)赞同市场研究报告中的观点，但她同时强调，目前脑机接口的能力还相当有限。
她说：“工业界一直关注游戏和医疗方面的应用，尤其是面向残障人士康复的应用，但其实相关研究表明，脑机接口技术在很多领域都有应用潜力，包括交流、心理治疗以及对电脑和其他设备的控制等。”
刘目前正与她的导师、卡内基梅隆大学助理教授杰夫·考夫曼(Geoff Kaufman)紧密合作。她补充道，“尽管目前已经有一些应用问世，但不论是在软件还是硬件方面，脑机接口技术在真正流行之前，还须解决可用性和精度之间的平衡问题。比如心率监测，作为另一种生理信号检测技术，只有设计出能被用于胸带、手表等特定的可穿戴设备，再加上合适的应用软件，才能流行起来。”
目前，基于手势和语音输入的系统，已经为人们提供了除传统键盘和鼠标组合之外，更加直接的新交互手段。刘强调：“更进一步，基于脑机接口的交互可以用大脑传达我们的意图，这样更加直接，而不再需要将我们的意图转换为文字、语言和手势。这种方式能让我们更加简单、迅速地表达意图，是最理想最自然的方式。”
她说：“脑机接口技术不但能支持大脑和计算机之间的通讯，还有望建立人和人之间的交流通路。”
除了Neuralink公司，还有大量创业公司竞相投入脑机接口市场。其中，NeuroPace是一家医用设备生产公司，其目标是帮助广大癫痫病患者更好地生活。据公司首席执行官弗兰克·费希尔(Frank Fischer)介绍，NeuroPace已经研制出一套称为RNS的系统，并且于2013年11月取得了美国食品药品监督管理局(FDA)认证。该系统通过反应性电刺激技术能够对难治性癫痫进行监测和控制。RNS系统作为癫痫发作的治疗手段，其工作原理是对脑电信号持续进行监测，当识别到信号异常时，即触发治疗电刺激，以在癫痫行为发作之前进行抑制。
费希尔表示，RNS系统可以用于18岁以上的患者。通过对脑电活动的监测，可以将癫痫抑制在发作初期。整个系统包括可植入的设备、电极及远程监控器，价格为37000美元。
科丁和刘不约而同地指出，脑机接口技术的广泛使用还需要很多年。根据刘的观察，目前大多数脑机接口系统都需要一定的装置，她表示，“用户要么进行手术植入电极，要么使用带有多个传感器的非植入式设备，但非植入式设备通常要花费较长的时间调整和校正。因而，目前这两种选择都不适合日常使用。
近年来，尽管有越来越多的消费级脑电采集设备问世，但它们的精确度依然偏低。刘观察到，“未来脑机接口更偏向非植入的方式，但仍需要新的信号采集和分析技术来处理来自大脑的更强大的和质量更高的信号。”
此外，像隐私保护这样的重要问题也需要解决。刘表示，她在研究过程中发现人们并不情愿让设备来读取他们大脑的信息，了解他们的意图，因为人们担心自己的内心世界会暴露给接触这些设备的任何人。她说道：“脑机接口系统若要流行起来，还需要能够保护用户的隐私。”
另一个问题是如何将设备长期留在大脑中，尤其是对于有线的设备。此外，大脑的排异反应也是个问题，科丁补充道：“目前我们还没有研制出能够埋植在大脑内部时间长达一生的设备。”
科学家和研究人员还需要解决脑机接口系统的散热问题和数据分析与控制技术。科丁表示，“脑机接口系统不像马斯克他们开发的那些装置，它是更高维度、更加复杂的系统。”他同时表达了对散热问题的担忧。他表示，如果设备设计得不好，有可能会腐蚀和损害大脑组织。
科丁说：“还有很多问题没有解决，但同时也有很多机会。在某种意义上，神经技术才是技术的前沿。因为如果我们能理解大脑是如何工作的，就能理解那些对我们产生影响并使我们成为人类的要素。”这也许是最具挑战性的研究课题。他说，“或许，理解其他科学领域要比理解大脑更为容易，但是研究大脑才是更激动人心的事情。” ■
* 本文译自Communications of the ACM, “Overcoming Disabilities”, 2017, 60(11): 17~19 一文。
作者：
艾斯特·沙因(Esther Shein) 位于波士顿地区的自由职业技术和商业作家。
译者：
祁 玉 CCF专业会员。浙江大学计算机学院博士后。主要研究方向为脑机接口、混合智能、机器学习等。qiyu@zju.edu.cn
潘 纲 CCF高级会员。浙江大学计算机学院教授。主要研究方向为普适计算、人工智能、脑机接口、混合智能等。gpan@zju.edu.cn
（本期译文责任编委：姜 波）
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