假如生活在未來(lái)的人觀看今天的科學(xué)影像記錄，他恐怕會(huì)被眼前這頂帽子逗笑。

它看上去像泳帽，表面布滿指甲蓋大小的金屬片，上面鑲嵌著電極，用來(lái)采集腦電信號(hào)。戴上這樣一頂腦電采集帽需要花費(fèi)一點(diǎn)時(shí)間，為了讓那些金屬制品隔著骨頭、肌膚、體液更好地讀懂人腦，研究者還得想辦法拉近他們的距離——填入膏狀電解質(zhì)凝膠，讓頭皮和金屬電極的接觸更加緊密。

聽(tīng)上去，戴這頂帽子可不太舒服。但眼下，它帶來(lái)的神奇感絕對(duì)能對(duì)沖不適感。它肩負(fù)著窺探人腦秘密的使命，從上世紀(jì)末開(kāi)始，人們通過(guò)它將捕捉到的人腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為指令，操控外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)“意念控制”。

2021年春節(jié)前，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的兩個(gè)95后大學(xué)生戴著腦電帽，共同想象著一個(gè)漢字，他們的腦電信號(hào)被捕捉并轉(zhuǎn)化為指令，握著毛筆的機(jī)械手臂在紅紙上寫(xiě)出“福”字。

這是世界上第一次采用多人協(xié)同方式腦控機(jī)械臂、用意念“寫(xiě)”出漢字。

新的世界紀(jì)錄誕生了

23歲的女研究生羅睿心是那個(gè)“福”字的“執(zhí)筆者”之一。想讓“電腦朋友”更好地理解自己，和人類一樣，也得花時(shí)間相處。

交朋友的方式直接又沉默。羅睿心戴上嵌有64個(gè)電極的帽子，端坐在光標(biāo)閃爍的電腦屏幕前，讓目光在216個(gè)點(diǎn)位上逐一停留至少5秒鐘，電腦即時(shí)記錄下她注視不同光標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的不同腦電波。

當(dāng)她想試著寫(xiě)出一橫時(shí)，只需用眼神在屏幕上“劃”出一橫，“電腦朋友”就能從她眼神在不同點(diǎn)位的游走軌跡，分析出腦電波產(chǎn)生的變化，進(jìn)而明白她的意圖。

她還需要照顧“電腦朋友”的反應(yīng)速度。這一筆“寫(xiě)”得太快，對(duì)方來(lái)不及作出反應(yīng)。她要摸清“朋友”的節(jié)奏，同時(shí)讓自己想象筆畫(huà)時(shí)的注意力更集中一些，大約15分鐘之后，雙方交流信息的準(zhǔn)確率能達(dá)到90%以上。

27歲的生物醫(yī)學(xué)工程博士生韓錦是這套雙人腦控機(jī)械臂書(shū)寫(xiě)系統(tǒng)的搭建者，他解釋，實(shí)現(xiàn)腦控的前提是讓機(jī)器讀懂人的思維意圖。

機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)建模方法能在不同的腦電波與各異的思維任務(wù)之間建立起映射模型，識(shí)別出不同的思維意念，也就是“約定”一個(gè)人和計(jì)算機(jī)都理解的溝通方式。每個(gè)人的腦電特征都是獨(dú)一無(wú)二的。“同一個(gè)人，在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下，完成同一任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的腦電波也不一樣。”韓錦說(shuō)，為了保證任務(wù)準(zhǔn)確率，每次執(zhí)行任務(wù)之前，都需要先進(jìn)行人機(jī)訓(xùn)練，“彼此熟悉一下。”

一般來(lái)說(shuō)，被試者需要先作出一系列不同的動(dòng)作，讓計(jì)算機(jī)從電極讀取數(shù)據(jù)，大致弄明白，哪種動(dòng)作意圖會(huì)觸發(fā)什么樣的腦電波。下一次，當(dāng)同樣的腦電波出現(xiàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)就能明白，是要做什么動(dòng)作了。

2018年韓錦第一次在實(shí)驗(yàn)室里嘗試用意念打字母，“我在這邊想，那邊的屏幕上就跳出一個(gè)個(gè)字母，感覺(jué)特別科幻。”一年以后，“哪吒”腦控智臂機(jī)器人系統(tǒng)在那間實(shí)驗(yàn)室里誕生。

寫(xiě)漢字比寫(xiě)字母難得多。羅睿心和隊(duì)友把“福”字按筆劃拆解為多個(gè)部分，兩人平均分配，她負(fù)責(zé)控制左邊的偏旁和右邊的口字，另一人負(fù)責(zé)福字右上的橫和下面的田字。

兩位“執(zhí)筆者”盯著屏幕上每個(gè)筆劃，從起點(diǎn)到終點(diǎn)，光束直擊視網(wǎng)膜，大腦中長(zhǎng)得像八爪魚(yú)一般的神經(jīng)元們受到刺激，誘發(fā)出相應(yīng)的腦電波。

大腦像俄羅斯套娃的核心，被組織層層包裹，顱骨導(dǎo)電能力不好，“執(zhí)筆者”必須足夠?qū)ＷⅲM量減少肢體運(yùn)動(dòng)，才能產(chǎn)生一個(gè)“穿透力”十足的腦電信號(hào)，穿過(guò)腦膜、腦脊液、顱骨……抵達(dá)頭皮上的電極。

一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)“對(duì)話”多人，能省去一個(gè)個(gè)“談心”的時(shí)間。相比單人腦控，雙人協(xié)作操控機(jī)械臂要解決的問(wèn)題更為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)合理的任務(wù)分配策略，使兩人以最高效率完成操控任務(wù)，且不能相互沖突。

羅睿心和隊(duì)友同時(shí)發(fā)出的意念指令，被計(jì)算機(jī)同時(shí)接收，再按照效率優(yōu)先的順序指示機(jī)械臂完成書(shū)寫(xiě)。整個(gè)書(shū)寫(xiě)過(guò)程用時(shí)3分鐘，比單人速度提升了一倍。

“人類活動(dòng)中，有很多復(fù)雜精細(xì)的工作，是單人無(wú)法完成的，需要多人共同合作。”韓錦說(shuō)，這次是雙人操控單個(gè)機(jī)械臂，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)多人、多個(gè)機(jī)械臂共同完成一些更繁重或更精細(xì)的任務(wù)。比如宇航員在外太空腦控機(jī)械臂完成機(jī)械維修等。

長(zhǎng)期以來(lái)，腦控技術(shù)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是如何完成更多的任務(wù)，又能保持更高的速度。“快”與“好”之間存在著天然的矛盾，天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副教授許敏鵬說(shuō)，在以往的研究中，可完成的最大BCI(腦機(jī)接口)指令是84個(gè)，但單個(gè)指令的識(shí)別時(shí)間超過(guò)8秒;如果識(shí)別時(shí)間縮短到0.8秒，就僅能完成40個(gè)指令。

天大團(tuán)隊(duì)將“意念打字”常見(jiàn)的兩種腦電波范式——P300和SSVEP融合起來(lái)，兩者在穩(wěn)定性和速度上各具優(yōu)勢(shì)，一個(gè)精細(xì)分辨出微弱腦電特征，一個(gè)快速破譯解碼。這一次，他們創(chuàng)下了頭皮腦電BCI在線控制216個(gè)指令的世界紀(jì)錄，在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)BCI信息輸出方式由“拼”到“寫(xiě)”、由單人到多人的重大變革。被打破的舊的世界紀(jì)錄是108個(gè)指令，2年前亦由他們創(chuàng)造。

窺視“三磅宇宙”的小窗

此時(shí)，距離人類的老祖先發(fā)明石器已經(jīng)過(guò)去兩三百萬(wàn)年。聰明的大腦幫助人類解鎖更寬闊的世界，而大腦本身則一直是科學(xué)探索的秘境。

科學(xué)家用浩瀚無(wú)垠的宇宙形容大腦的復(fù)雜，它也因此被稱為“三磅宇宙”(3磅約等于1.36千克，接近成年人腦的重量)。天津腦科學(xué)與類腦研究中心主任、天津大學(xué)科研院常務(wù)副院長(zhǎng)明東表示，腦科學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的“最后的疆域 ”。

僅3磅重的大腦，是宇宙中已知的最復(fù)雜的物體，神經(jīng)工程師將其描述為“目前已知信息密度最大、結(jié)構(gòu)化程度最高而且自我組織最完整的東西”。它質(zhì)地類似果凍，運(yùn)行時(shí)功率僅為20瓦，啟動(dòng)一臺(tái)性能同樣強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)需要2400萬(wàn)瓦。

在某種意義上，你從鏡子里看到的自己不過(guò)是那個(gè)3磅重“果凍”的一個(gè)載體。在美國(guó)影片《黑客帝國(guó)》里，只要在腦后插管，人就可脫離身體直達(dá)大腦的虛擬世界;《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》的主人公素子實(shí)現(xiàn)了全身機(jī)械化義體，唯一保留的只有一顆人類大腦。

不管形態(tài)如何，腦機(jī)接口(brain-computer interface, BCI)已成為人類窺視“三磅宇宙”的一扇窗。

這樣的設(shè)想來(lái)源于大腦運(yùn)行的原理。許敏鵬介紹，大腦由大概1000億個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成，這個(gè)數(shù)量與銀河系的恒星數(shù)量大致相仿。它們形成一個(gè)難以想象的巨大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是人產(chǎn)生思維活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

當(dāng)我們思考的時(shí)候，大腦神經(jīng)元會(huì)同步放電，這些信號(hào)被稱為腦電波。腦電波中蘊(yùn)藏人類思維活動(dòng)的意識(shí)信息，腦中冒出不同的念頭，腦電信號(hào)就會(huì)隨之變化。理論上，只要人能夠清楚腦電波與思維活動(dòng)的直接關(guān)系，就能夠通過(guò)識(shí)別腦電波反推出人的想法。

腦機(jī)接口正是通過(guò)研究腦電波來(lái)解讀人類想法的技術(shù)。許敏鵬解釋，人腦中的想法目前是通過(guò)外周神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉組織或語(yǔ)言等方式表達(dá)出來(lái)，而腦機(jī)接口則繞過(guò)這些傳統(tǒng)的路徑，直接在大腦和計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系。“再說(shuō)直白一點(diǎn)，我們的腦子里想什么，通過(guò)腦機(jī)接口，計(jì)算機(jī)就能夠直接讀取出來(lái)。”

打破人與機(jī)器的界限?

兩個(gè)人集中全部注意力、花去3分鐘寫(xiě)出一個(gè)漢字，顯然還無(wú)法讓人滿意。

上世紀(jì)60年代，美國(guó)航空航天局(NASA)的科學(xué)家首次提出“賽博格”(Cyborg)一詞，即人與電子機(jī)械的統(tǒng)一體。漫威電影中半人半機(jī)械的超能人、《機(jī)械戰(zhàn)警》中的機(jī)械義肢都在彰顯著一種欲望——人要打破與機(jī)器涇渭分明的界限。

機(jī)器能彌補(bǔ)殘障人士生理缺陷，成為其身體的一部分。2014年，一位高位截癱少年控制機(jī)械外骨骼為巴西世界杯賽開(kāi)出第一腳球。

那一年，天津大學(xué)的神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出“神工系列”人工康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，并在多家醫(yī)院投入臨床使用，通過(guò)腦控技術(shù)幫助中風(fēng)偏癱患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。中風(fēng)患者的身體不聽(tīng)使喚，但體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)原有儲(chǔ)存的運(yùn)動(dòng)“流程圖”可能保存完整或部分存在。在傳統(tǒng)的康復(fù)治療中，大腦的參與程度低，難以實(shí)現(xiàn)壞損腦區(qū)及周圍腦區(qū)的功能重建，是影響康復(fù)效果的重要因素之一。

有一種療法，是讓患者在大腦中反復(fù)進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)想象，不斷喚醒相關(guān)運(yùn)動(dòng)記憶，以激活大腦相關(guān)區(qū)域，提高運(yùn)動(dòng)功能。但長(zhǎng)期以來(lái)，這種方法缺乏客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)狀態(tài)，也難以及時(shí)進(jìn)行效果反饋。

為了改善這種療法，天大團(tuán)隊(duì)的“神工”腦機(jī)接口檢測(cè)患者在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象時(shí)的運(yùn)動(dòng)意圖，觸發(fā)模擬神經(jīng)沖動(dòng)的電刺激，促使肌肉主動(dòng)收縮，又帶動(dòng)骨骼和關(guān)節(jié)自主動(dòng)作。這就相當(dāng)于在患者體外仿生構(gòu)筑了一條完整的人工神經(jīng)通路，形成一個(gè)“腦-機(jī)-人體”的信息環(huán)路。

在天津市人民醫(yī)院，一位85歲的老人接受了運(yùn)用腦機(jī)接口技術(shù)的治療。他因腦卒中導(dǎo)致右側(cè)手腳癱瘓。輔助康復(fù)的研究員說(shuō)，新療法對(duì)老人腿部的影響明顯。“他之前可能只能站一兩分鐘，現(xiàn)在能站五六分鐘了，行走50米左右。”

機(jī)器破譯并傳輸大腦指令，再把指令交給身體執(zhí)行。原理看似簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)則異常困難。按照設(shè)想，第三代“神工”將化作一個(gè)體積更小的可穿戴便攜設(shè)備，嘗試輔助患者完成更多復(fù)雜而精細(xì)的肢體動(dòng)作，同時(shí)監(jiān)測(cè)大腦狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模式。

2016年，天大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航天員中心研制了國(guó)際首套空間站在軌腦機(jī)接口系統(tǒng)，成功完成人類歷史上首次太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。明東認(rèn)為，這是在太空環(huán)境中最理想的人機(jī)交互方式。腦控技術(shù)能讓航天員無(wú)需說(shuō)話和動(dòng)作就能發(fā)出操作指令，還能監(jiān)測(cè)其腦力負(fù)荷等神經(jīng)功能狀態(tài)。

今年，該團(tuán)隊(duì)又率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)“4自由度”、12指令的連續(xù)實(shí)時(shí)腦控。

腦控智能輪椅、腦控打字機(jī)、腦控智能義肢都發(fā)展中。韓錦猜想，未來(lái)的腦機(jī)接口，體積小到完全可以埋在頭發(fā)下面，讓別人看不見(jiàn)。它可以讓大腦與手機(jī)相連，接打電話;也可以和家里的智能家電相連，開(kāi)燈、拉窗簾，輸入防盜門(mén)密碼等。

腦洞再大一點(diǎn)，也許未來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)“腦對(duì)腦”心靈相通。

各種擔(dān)心也隨之而來(lái)，聽(tīng)上去最可怕的是，“假如我們的意識(shí)被機(jī)器綁架或人為操控怎么辦”。許敏鵬表示，目前人機(jī)交互的前提是雙方遵守共同的約定，如果人類不愿意被讀取大腦信息，那么連接就無(wú)法進(jìn)行，“我們只邁出了很小的一步”。

正如火帶來(lái)文明，也帶來(lái)危險(xiǎn)。明東認(rèn)為：“人機(jī)技術(shù)一直在進(jìn)化，未來(lái)人一定都會(huì)和機(jī)器產(chǎn)生有效連接。”他特別喜歡一句話，當(dāng)人類揮起鋤頭的那一瞬間，鋤頭已經(jīng)成為人身體延長(zhǎng)的一部分了。