【小哈划重点：瑞士巴塞尔大学生物医学伦理研究所的研究人员马塞罗·伦卡和罗伯托·安多诺指出，随着技术的发展，未来的计算机或许能在人们不知情的情况下收集、储存甚至删除他们的思想，这将严重侵蚀个人的思想自由......可以用于解读脑电图，帮助我们理解睡眠、识别癫痫、解析梦境等...】
1973年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔首次提出，通过头皮上的电极可以检测大脑发出的实时信号，并将其解码以控制计算机。这一发现标志着脑机接口（BMI）技术的诞生。脑机接口是在大脑与外部设备（如电脑、机械臂等）之间建立的直接连接，能够实现信息交换并控制外部设备，完成各种功能和行为。其核心原理是捕捉大脑信号并转换为电信号，绕过外周神经和肌肉，直接建立大脑与设备之间的通信与控制通道，是一种新型的人机交互技术。
从应用领域和功能上看，脑机接口主要分为三大类：一是医疗型，用于治疗疾病或帮助患者康复，恢复其运动、交流和感知能力；二是增强型，对正常人体功能进行增强和改善，如调节注意力、改善睡眠、增强记忆力或建立外骨骼等；三是研究型，用于深入研究大脑功能，如分析脑电波的强弱与功能、探索大脑生物电流与情绪的关系、研究大脑思维和神经语言机制等。
从技术路径上看，脑机接口目前主要分为侵入式和非侵入式两大类。侵入式脑机接口需要将电子芯片植入大脑，从而获取更强的大脑信号，全面且准确地执行大脑指令，但安全性保障存在一定挑战。非侵入式脑机接口则通过头戴装置接收大脑信号，安全性更高，但信号较弱，难以精准捕捉大脑的真实意图。非侵入式脑机接口的安全性更高，因此，此类研究项目数量最多，占比约为80%。不过，非侵入式脑机接口的执行能力不及侵入式脑机接口。以目前人们最关注的脑机接口功能——打字、写字和说话为例，侵入式脑机接口基本可以实现这些功能，而非侵入式脑机接口虽然能够实现打字和写字，但在说话功能上还存在一定的局限性。
在中国，无论是进行侵入式还是非侵入式脑机接口研究，都必须遵循《涉及人的生命科学和医学研究伦理审查办法》等相关法规，申请并通过伦理审查后，才能启动研究项目。
在医疗领域，进行侵入式脑机接口研究需要根据手术植入物、有源植入物（需要外部能源的植入物）指导原则和相关标准，进行安全性和有效性充分验证，包括提供生物相容性检测报告、型式检测报告、大动物安全性有效性报告等。
以健康人群为研究对象的基础研究，同样要经过申请和伦理审查，并且研究者还需建立安全风险防控机制，包括严格的操作规程、常见的误操作纠正机制、紧急情况下的预案、中止程序和补救应急指南等，保证被试者的人身安全。
侵入式脑机接口：让病患重新掌控人生
目前，侵入式脑机接口获得了较多关注，随着一系列重大技术突破，它有望成为治疗罕见病、帮助残障者康复及改善其生活质量的重要技术手段。
用意念恢复肢体功能
在残障者中，有一些高位截瘫患者是因为车祸、运动损伤等原因导致的，损伤部位以下的肢体都失去了运动能力。这些患者的大脑与四肢之间的“联系”被切断，导致其失去运动能力。通过脑机接口技术，可以将大脑信号转化为机械装置能够“理解”的控制指令，从而让患者自主操作家用电器、轮椅、机械臂等设备。在中国，高位截瘫患者为300万～400万人，脑机接口技术为这些患者带来了希望，能够帮助他们部分恢复肢体功能，重拾生活自理能力。
2023年10月24日，清华大学医学院洪波教授团队研发的无线微创植入脑机接口NEO（Neural Electronic Opportunity） 完成了首例临床植入试验。该手术由北京宣武医院赵国光院长和单永治主任团队主持并实施。
NEO是无线微创植入式脑机接口，分为体内和体外两部分。体内机仅两枚硬币大小，埋于颅骨内，电极覆盖在硬脑膜外，能够在采集脑信号的同时，避免破坏神经细胞活动，防止感染、水肿及免疫排异反应。此次接受植入的是一位因车祸导致颈椎完全性损伤（ASIA评分A级，即完全性损伤，通常预示着恢复可能性较低）、四肢瘫痪已14年的高位截瘫患者。手术结束后，研究者便成功采集到患者感觉运动脑区的神经信号。患者于术后10天出院，在家康复期间，体外机通过患者的头皮为体内机供电并接收信号，再经由电脑或手机上的应用程序（App）解码，实现脑机接口通信。NEO采用近场无线供电和通信技术，体内机无需电池，可终生使用。
经过3个月的康复训练，该患者能够通过意念（脑电活动）驱动气动手套，自行端起水杯喝水，气动手套对大脑抓握指令的解码准确率超过90%。此外，患者的颈椎损伤ASIA评分有所下调，感觉诱发电位响应也显著改善。
由于这项技术能显著改善高位截瘫者的行为能力，因此在2023年12月19日，第二位脊髓损伤患者在北京天坛医院接受了NEO植入手术。植入NEO后，患者经过居家康复训练，也能通过意念驱动气动手套完成喝水动作。
目前，中国科学家团队采用的这种无线微创植入式脑机接口有三个特点：一是低侵入性和高安全性；二是采用无线供电，可终生使用；三是采用脑电解码算法的性能较高，可将8个电极的信号变成100多个虚拟通道，实现稳健的信息解码，让操作更为精准。
用意念操控电脑
2024年1月29日，美国企业家马斯克的脑机接口公司Neuralink为一名残障人士植入了名为“心灵感应”的脑机接口。这位男性患者名为诺兰·阿尔博，8年前因潜水事故导致脊髓损伤、四肢瘫痪。在植入手术结束几周后，马斯克在社交平台上进行直播，介绍了阿尔博的最新情况，他已经可以通过意念操控鼠标，在电脑上下国际象棋、玩电子游戏。
阿尔博的脊髓损伤部位为颈椎的第4节和第5节。由于控制四肢的神经从颈椎第5节开始向肢体延展，因此该部位受到损伤会导致四肢全瘫，而第3节以上的脊髓损伤可能影响呼吸肌，危及患者的生命。植入阿尔博脑中的“心灵感应”是整体植入，通过无线方式实现充电和高质量的信号采集与传输，其系统解码非常准确。不过，“心灵感应”需要经常充电，阿尔博的头部也不能离后面的接收架太远（不能大于1米），否则会影响脑信号的接收。
现在，Neuralink公司计划逐年增加针对截瘫患者的脑机接口植入数量，2025年计划植入50例，2026年为79例。预计到2030年，该公司植入的脑机接口数量将超过2.2万。
用意念“说话”
目前，更复杂的侵入式医疗型脑机接口成功案例，是帮助卒中患者恢复语言表达能力。今年3月31日，《自然- 神经科学》上发表了一项突破性成果，美国研究人员利用植入式脑机接口结合人工智能（AI）算法，帮助一名因脑干卒中瘫痪18年并失去语言能力的女性患者安（Ann），重新获得自如交流的能力。借助植入其体内的脑机接口，安能将脑中的意图转化为可理解的声音。
通过253个大脑皮层电极实时捕捉数千个神经元活动，配合AI解码算法，这项新技术能以每分钟47～90个单词的速度输出语音（正常语速约为120个单词每分钟）。现在的脑机接口比安过去使用的辅助设备语速更快，使用起来更为便捷。
脑机接口帮助失语者说话的核心是，将意念转化为语音且使其能与他人进行接近正常的语言交流，这需要多种技术的交融。首先，植入患者体内的设备必须能够快速收集神经信号。该研究中的植入设备每隔80毫秒会采集一次神经信号，而且基于神经信号模式可提前500毫秒预测患者的发音意图。其次，需要重建患者的个性化语音。例如，研究人员利用安在婚礼上的讲话录音数据对AI进行训练，使其生成与她受伤前的真实声音相似的语音。最后，要建立词汇库，并让安完成训练。词汇库包含1024个单词和50个短语，安通过默念屏幕上的句子完成系统训练。
虽然脑机接口能帮助失语者“说话”，但与正常人的反应速度相比仍存在明显延迟（有3秒延迟）。不过，这项研究的参与者表示，随着传感器精度提升和信号处理算法优化，可以将延迟进一步缩短，并达到正常人说话的速度。
非侵入式脑机接口：更丰富的应用场景
在脑机接口研究领域，非侵入式脑机接口更为安全，使用范围更广，多用于增强型研究项目，尽管目前的实际应用还十分有限，但也相当令人鼓舞。
非侵入式脑机接口可以采纳和接收的大脑信号更为丰富，如脑电（EEG）、脑磁（MEG）、功能性近红外和功能性磁共振成像信号，但是基于脑电的脑机接口更普遍，因为其有成本低、便携、信号时间分辨率等优势。为了执行大脑的指令，脑机接口首先要对大脑信号进行编码，然后解码（统称为编解码），进而让计算机或其他设备“理解”大脑的指令。
现在，非侵入式脑机接口的编解码有主动式、反应式、被动式三类。主动式脑机接口是指输出的控制信号反映大脑的主动性活动，不依赖于外部事件，如运动想象脑机接口（MI-BCI），通过想象来操作设备。反应式脑机接口是指外部刺激引发大脑活动，在大脑反应后产生信号输出，主要包括稳态视觉诱发电位脑机接口和事件相关电位脑机接口。被动式脑机接口不以控制为目的，在人机交互过程中为计算机提供大脑的隐性状态，有利于计算机及时调整，实现人性化的交互，主要应用是情感脑机接口。这些脑机接口可以应用于运动、情感、生活娱乐、科学研究及医疗康复等领域。
运动想象脑机接口可以反应使用者的运动意图，即大脑想象肢体或肌肉运动，且无实际动作输出，是一种不需要外界刺激、能够反映使用者自主运动意识的脑机接口，除了能用于研究大脑的意识功能，还能指挥机械肢体运动、打字等，与之相关的研究成果也最为丰富。例如，2021年和2022年的“世界机器人大赛”的科研类赛事“脑机接口脑控机器人大赛”中，设置了运动想象赛项，参赛团队就是利用运动想象脑机接口，让参赛者通过意念控制机器人的四肢，从而完成比赛项目。
运动想象脑机接口诱发的脑电振荡模式最接近于人体原有的运动激活模型，可促进受损脑区和神经通路的重组，因此，可以帮助卒中患者进行康复。通过对卒中患者脑电信号的实时监测和反馈，促使患者主动参与训练，可以重塑其神经功能，进而不同程度地恢复患者的肢体运动能力。早在2019年，就有研究人员采用运动想象脑机接口对30名重度卒中患者进行康复训练。通过综合分析治疗前后的功能性磁共振成像信号，研究人员发现，运动想象脑机接口加强了其卒中同侧大脑活动，增强了患侧手的感觉功能。
2022年，一项运用运动想象脑机接口，对偏瘫患者上肢运动障碍进行康复训练的研究显示，所有受试者通过控制该系统都能在23秒内完成目标物体的抓取任务，其中抓取袋子的平均成功率最高，达到90.67%。这表明，运动想象脑机接口能有效帮助上肢运动障碍患者完成日常生活中的一些任务，提高生活自理能力，从而增强生活信心。
今天，智能手表、手环、虚拟现实头盔等可穿戴设备已经大量进入人们的日常生活，这些设备也可以接入非侵入式脑机接口，帮助人们获得更好的生活体验和提升情绪价值。
日本神经佩戴（Neurowear）公司研发的耳机就可以通过非侵入式脑机接口技术辨识佩戴者的情绪，并根据佩戴者的情绪来选择音乐，帮助其拥有好心情。该公司还生产了可穿戴相机，同样可以检测用户的情绪，并在用户情绪投入时自动抓拍。强脑科技（BrainCo）公司研发了一套孤独症儿童可穿戴脑电波康复系统。该系统包括便携式头环脑电采集设备和基于早期介入丹佛模式开发的干预课程。通过镜像神经元μ波神经反馈训练，该系统能够检测孤独症儿童的脑电数据特征，并建立多维度的训练算法模型。自2019年在杭州等地投入使用以来，已有数百名3～10岁孤独症儿童受益，部分儿童的社交动机和反应力明显提升。
脑机接口的伦理挑战：保护思想自由
如今，凭借脑机接口技术，用意念玩游戏、控制机械肢体和轮椅等已经不算新鲜，可以说，脑机接口已经能够初步解读人类的部分思维和情感。但这也意味着，脑机接口可能会泄露人的思维和情感信息，甚至被用来操控人的思维和情感，从而损害思想自由。这其中隐藏着脑机接口未来可能面临的最大伦理挑战——如何保护思想自由。
瑞士巴塞尔大学生物医学伦理研究所的研究人员马塞罗·伦卡和罗伯托·安多诺指出，随着技术的发展，未来的计算机或许能在人们不知情的情况下收集、储存甚至删除他们的思想，这将严重侵蚀个人的思想自由。因此，伦卡和安多诺提出，应通过立法来保护人类的思想自由，具体包括4项权利：认知自由权利、思想隐私权利、保持思想完整的权利以及保持心理连续性的权利。
保护这4项权利，本质上是为了防止个人的思维、隐私或敏感信息在未经授权的情况下被收集、储存、使用。未来，当脑机接口技术像今天的电脑和手机一样被广泛使用时，保护思想自由将变得尤为重要。
保护思想自由无疑是脑机接口技术面临的重大挑战。思想是个人最核心的隐私，一旦无法有效保护，后果不堪设想。因此，保护思想自由不仅需要立法支持，更需要开发出严格且易于操作的保护技术和措施。如果不能有效防止脑机接口被入侵和篡改，那么这项技术就如同潘多拉的魔盒，一旦打开，后果难以预料。
未来，脑机接口技术的研发和应用前景广阔：可以帮助病患改善生活质量，可以用于解读脑电图，帮助我们理解睡眠、识别癫痫、解析梦境等，还能辨识大脑的多种状态， 如疲劳、高兴、愤怒、痛苦等， 并用于解析人类的思维和语言， 甚至掌握大脑的奖赏机制。然而， 所有这些研究和应用都必须建立在严格的伦理框架之上， 确保技术的发展不会损害人类的基本权利和自由。
（文章插图未收录）
