腦機(jī)接口（BCI）目前還沒有達(dá)成共識(shí)的概念，參考知乎專欄李明俊的解讀：
“腦（Brain）” = “有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)”，而并非僅僅是抽象的心智
“機(jī)（Computer）" = “任何處理或計(jì)算的設(shè)備”，其形式可以從簡(jiǎn)單電路到硅芯片
“接口（Interface）” = “用于信息交換的中介物”
連起來，簡(jiǎn)化為：BCI = 聯(lián)結(jié) 有機(jī)體思想 與 無機(jī)體執(zhí)行 的 媒介
先來看看腦在哪里：
如果你把腦和頭想象成一個(gè)東西，那下面的圖可能會(huì)讓你驚訝——頭皮 (skin) 下面，經(jīng)過很多層組織的鋪墊，才是顱骨（skull）。
從頭皮到顱骨（圖片來源：Wait But Why）
顱骨下面，還要穿越硬腦膜（dura mater）、蛛網(wǎng)膜（arachnoid trabeculae）、軟腦膜（pia mater）的層層保護(hù)，才能見到我們的主角——大腦（Brain）
簡(jiǎn)而言之，從頭皮最終到大腦，其間的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為下圖👇
上圖中，從左往右，依次為皮膚（粉紅色）、兩層頭皮層、顱骨、硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、以及最右邊被軟腦膜包裹的大腦👇
“補(bǔ)腦，核桃” （圖片來源：Wait But Why）
我們簡(jiǎn)單把大腦劃分四個(gè)區(qū)：額葉（frontal lobe），頂葉（parietal lobe）, 枕葉（occipital lobe）, 顳葉（temporal lobe）。不同大腦區(qū)域控制不同的活動(dòng)，比如運(yùn)動(dòng)中樞位于額葉，知覺感官的神經(jīng)元位于頂葉，視覺中樞位于枕葉，聽覺中樞位于顳葉。
而同一區(qū)域，不同神經(jīng)元控制的活動(dòng)也不同。以運(yùn)動(dòng)皮層（motor cortex）和體感皮層（somatosensory cortex）為例，皮層上不同位置對(duì)應(yīng)人體不同部位的活動(dòng)，具體可以描繪為著名的小矮人（Homunculus）圖:
運(yùn)動(dòng)皮層和體感皮層小矮人圖（圖片來源：Wait But Why）
從腦的角度看，BCI的終極任務(wù)包括兩項(xiàng)：記錄（Recording）、刺激（Stimulating）。與之對(duì)應(yīng)，機(jī)器端（Computer）的功能就是解碼記錄（Recording）并執(zhí)行相應(yīng)指令，以及輸入信號(hào)激活（Stimulating）神經(jīng)元。
在記錄（Recording）方向，BCI記錄大腦的神經(jīng)元活動(dòng)，然后把活動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言，讓機(jī)器執(zhí)行某項(xiàng)操作。目前應(yīng)用主要集中于運(yùn)動(dòng)皮層遠(yuǎn)程控制。例如癱瘓病人腦部依舊能思考，但肢體卻不聽使喚，這時(shí)機(jī)器可以根據(jù)病人腦部活動(dòng)的指示，幫助病人控制肢體活動(dòng)、表達(dá)想法等。
Brown University首先研發(fā)的BrainGate系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)皮層遠(yuǎn)程控制的代表成果。它將一種名為Utah Array的電極列陣植入癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)皮層。當(dāng)病人想要抬手或做其他活動(dòng)時(shí)，電極便可檢測(cè)到被這些意圖激活的神經(jīng)元，然后將信號(hào)傳導(dǎo)給機(jī)器，讓其完成對(duì)應(yīng)指令。
當(dāng)然，在應(yīng)用于實(shí)際案例前，BrainGate先收集了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如，當(dāng)人們想把手往左邊移動(dòng)時(shí)，100個(gè)神經(jīng)元里某42個(gè)被激活，而想往右邊移動(dòng)時(shí)，另外37個(gè)神經(jīng)元被激活，而原來的42個(gè)則變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。BrainGate 將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合起來，以“意圖-被激活神經(jīng)元”的“x-y”坐標(biāo)軸模型為基礎(chǔ)，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫。在實(shí)際案例中，則是個(gè)剛好相反的過程，BrainGate通過癱瘓病人被激活的神經(jīng)元y在數(shù)據(jù)庫里找到匹配的意圖x, 然后執(zhí)行命令。
在BrainGate的幫助下，一位癱瘓近15年的女士通過機(jī)械手臂完成喝咖啡的動(dòng)作（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
2012年巴西，Miguel Nicolelis設(shè)計(jì)的exoskeleton 讓截肢少年開球世界杯（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
在刺激（Stimulating）方向，機(jī)器可應(yīng)用于感官模擬、深度大腦刺激。人造感官較為常見的例子有人造視網(wǎng)膜和人造耳蝸（助聽器）。與癱瘓病人類似，通常病人的腦部正常，但是在信息入口，即眼睛或者耳朵出現(xiàn)了損壞或者阻礙，于是BCI就幫助病人修復(fù)信息入口，完成外界信號(hào)對(duì)神經(jīng)元的激活。
但現(xiàn)在的感官模擬的發(fā)展都還處于起步階段。如果要全方位仿真聽覺，人造耳蝸至少需要3500個(gè)電極，而現(xiàn)在的產(chǎn)品最多只能達(dá)到16個(gè)。同理，人工視網(wǎng)膜目前可以植入60個(gè)感應(yīng)器，而真實(shí)的視網(wǎng)膜上則有百萬個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，完成讀書和面部識(shí)別等任務(wù)需要600-1000個(gè)電極。
深度大腦刺激（Deep Brain Stimulation）可協(xié)助控制情緒，例如減輕帕金森綜合征的痙攣現(xiàn)象，緩解偏頭痛、幻肢痛、創(chuàng)傷后遺癥和強(qiáng)迫癥等。相關(guān)商業(yè)案例包括針對(duì)癲癇治療的NeuroPace的RNS系統(tǒng)、針對(duì)睡眠障礙療愈的沒出初創(chuàng)公司Cerêve，針對(duì)學(xué)習(xí)障礙治療的BrainCo。
一家名為foc.us的公司致力于通過可穿戴設(shè)備刺激人腦產(chǎn)生α波，從而達(dá)到心流體驗(yàn)（圖片來源:foc.us官網(wǎng)）
上述應(yīng)用都面向醫(yī)療領(lǐng)域的修復(fù)方案，BCI應(yīng)用還有超越醫(yī)療領(lǐng)域的構(gòu)想。比如初創(chuàng)公司Neurable致力于更快捷交互模式的研發(fā)，將VR/AR于BCI結(jié)合，期待人們用意念操控汽車等設(shè)備。Kernel Co則專注大腦技能水平的增強(qiáng)，如通過芯片“讀取+改寫神經(jīng)密碼”來改善長(zhǎng)期記憶力。
Elon Musk則更進(jìn)一步，憧憬一個(gè)全民普及的BCI，融合娛樂、辦公、遠(yuǎn)程控制、增強(qiáng)記憶等多項(xiàng)功能。簡(jiǎn)而言之，Elon Musk的Neuralink是要把我們現(xiàn)在離不開的手機(jī)、電腦等多種設(shè)備壓縮進(jìn)一個(gè)隨身攜帶的BCI，并且實(shí)現(xiàn)總體大于部分之和的更多功能。
如前所述，接口主要實(shí)現(xiàn)記錄（Recording）和激活（Stimulating）。接口是信息的收集和傳輸中介，目前主要運(yùn)用的BCI工具有EEG，ECoG，LFP等，更尖端更精細(xì)化的技術(shù)包括Single-Unit Recording，patch clamp和sharp electrode recording等。
下圖展示了不同工具（EEG，ECoG, LFP）接入腦部的不同位置：
（圖片來源：Wait but Why）
最理想的BCI工具是大規(guī)模、高解析度、非入侵式的，但目前的技術(shù)只能在其中某幾項(xiàng)指標(biāo)上做到理想情況。下表從規(guī)模、解析度、侵入性各方面比較了不同工具的優(yōu)劣：
上面提到的超級(jí)精細(xì)化的裝置膜片鉗（patch clamp）不但可以記錄（Recording）神經(jīng)元活動(dòng)，還可以刺激（Stimulating）神經(jīng)元活動(dòng)。因?yàn)槟てQ可以接觸到單個(gè)細(xì)胞，所以它可以將電流或者電壓根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求施加到神經(jīng)元上。上面提到的其他記錄（Recording）工具也可以實(shí)現(xiàn)激活（Stimulating）功能，但只限于激活整個(gè)神經(jīng)元組。
小線菌先引出幾個(gè)BCI現(xiàn)階段的瓶頸，有興趣的朋友可以思考思考，歡迎留言交流🤗
腦（Brain）：人類對(duì)腦科學(xué)探索還處于嬰兒期，如何在腦科學(xué)認(rèn)知限制條件下研發(fā)BCI？
機(jī)（Computer）：帶寬瓶頸——如何小兒巧地容納大量信息？
接口（Interface）：如何解決生物相容性問題？人的免疫系統(tǒng)排斥本體之外的”入侵”物體，如何讓BCI融入有機(jī)體？
腦機(jī)接口（BCI）：倫理問題——試驗(yàn)階段，如果開顱，可以做大量生物實(shí)驗(yàn)嗎？推廣階段，如果讀心實(shí)現(xiàn)，隱私何在？
小線菌先留個(gè)懸念在這里，下期繼續(xù)與你分享一些腦洞大開的有趣破解法。
腦機(jī)接口（BCI）目前還沒有達(dá)成共識(shí)的概念，參考知乎專欄李明俊的解讀：
“腦（Brain）” = “有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)”，而并非僅僅是抽象的心智
“機(jī)（Computer）" = “任何處理或計(jì)算的設(shè)備”，其形式可以從簡(jiǎn)單電路到硅芯片
“接口（Interface）” = “用于信息交換的中介物”
連起來，簡(jiǎn)化為：BCI = 聯(lián)結(jié) 有機(jī)體思想 與 無機(jī)體執(zhí)行 的 媒介
先來看看腦在哪里：
如果你把腦和頭想象成一個(gè)東西，那下面的圖可能會(huì)讓你驚訝——頭皮 (skin) 下面，經(jīng)過很多層組織的鋪墊，才是顱骨（skull）。
從頭皮到顱骨（圖片來源：Wait But Why）
顱骨下面，還要穿越硬腦膜（dura mater）、蛛網(wǎng)膜（arachnoid trabeculae）、軟腦膜（pia mater）的層層保護(hù)，才能見到我們的主角——大腦（Brain）
簡(jiǎn)而言之，從頭皮最終到大腦，其間的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為下圖👇
上圖中，從左往右，依次為皮膚（粉紅色）、兩層頭皮層、顱骨、硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、以及最右邊被軟腦膜包裹的大腦👇
“補(bǔ)腦，核桃” （圖片來源：Wait But Why）
我們簡(jiǎn)單把大腦劃分四個(gè)區(qū)：額葉（frontal lobe），頂葉（parietal lobe）, 枕葉（occipital lobe）, 顳葉（temporal lobe）。不同大腦區(qū)域控制不同的活動(dòng)，比如運(yùn)動(dòng)中樞位于額葉，知覺感官的神經(jīng)元位于頂葉，視覺中樞位于枕葉，聽覺中樞位于顳葉。
而同一區(qū)域，不同神經(jīng)元控制的活動(dòng)也不同。以運(yùn)動(dòng)皮層（motor cortex）和體感皮層（somatosensory cortex）為例，皮層上不同位置對(duì)應(yīng)人體不同部位的活動(dòng)，具體可以描繪為著名的小矮人（Homunculus）圖:
運(yùn)動(dòng)皮層和體感皮層小矮人圖（圖片來源：Wait But Why）
從腦的角度看，BCI的終極任務(wù)包括兩項(xiàng)：記錄（Recording）、刺激（Stimulating）。與之對(duì)應(yīng)，機(jī)器端（Computer）的功能就是解碼記錄（Recording）并執(zhí)行相應(yīng)指令，以及輸入信號(hào)激活（Stimulating）神經(jīng)元。
在記錄（Recording）方向，BCI記錄大腦的神經(jīng)元活動(dòng)，然后把活動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言，讓機(jī)器執(zhí)行某項(xiàng)操作。目前應(yīng)用主要集中于運(yùn)動(dòng)皮層遠(yuǎn)程控制。例如癱瘓病人腦部依舊能思考，但肢體卻不聽使喚，這時(shí)機(jī)器可以根據(jù)病人腦部活動(dòng)的指示，幫助病人控制肢體活動(dòng)、表達(dá)想法等。
Brown University首先研發(fā)的BrainGate系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)皮層遠(yuǎn)程控制的代表成果。它將一種名為Utah Array的電極列陣植入癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)皮層。當(dāng)病人想要抬手或做其他活動(dòng)時(shí)，電極便可檢測(cè)到被這些意圖激活的神經(jīng)元，然后將信號(hào)傳導(dǎo)給機(jī)器，讓其完成對(duì)應(yīng)指令。
當(dāng)然，在應(yīng)用于實(shí)際案例前，BrainGate先收集了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如，當(dāng)人們想把手往左邊移動(dòng)時(shí)，100個(gè)神經(jīng)元里某42個(gè)被激活，而想往右邊移動(dòng)時(shí)，另外37個(gè)神經(jīng)元被激活，而原來的42個(gè)則變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。BrainGate 將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合起來，以“意圖-被激活神經(jīng)元”的“x-y”坐標(biāo)軸模型為基礎(chǔ)，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫。在實(shí)際案例中，則是個(gè)剛好相反的過程，BrainGate通過癱瘓病人被激活的神經(jīng)元y在數(shù)據(jù)庫里找到匹配的意圖x, 然后執(zhí)行命令。
在BrainGate的幫助下，一位癱瘓近15年的女士通過機(jī)械手臂完成喝咖啡的動(dòng)作（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
2012年巴西，Miguel Nicolelis設(shè)計(jì)的exoskeleton 讓截肢少年開球世界杯（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
在刺激（Stimulating）方向，機(jī)器可應(yīng)用于感官模擬、深度大腦刺激。人造感官較為常見的例子有人造視網(wǎng)膜和人造耳蝸（助聽器）。與癱瘓病人類似，通常病人的腦部正常，但是在信息入口，即眼睛或者耳朵出現(xiàn)了損壞或者阻礙，于是BCI就幫助病人修復(fù)信息入口，完成外界信號(hào)對(duì)神經(jīng)元的激活。
但現(xiàn)在的感官模擬的發(fā)展都還處于起步階段。如果要全方位仿真聽覺，人造耳蝸至少需要3500個(gè)電極，而現(xiàn)在的產(chǎn)品最多只能達(dá)到16個(gè)。同理，人工視網(wǎng)膜目前可以植入60個(gè)感應(yīng)器，而真實(shí)的視網(wǎng)膜上則有百萬個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，完成讀書和面部識(shí)別等任務(wù)需要600-1000個(gè)電極。
深度大腦刺激（Deep Brain Stimulation）可協(xié)助控制情緒，例如減輕帕金森綜合征的痙攣現(xiàn)象，緩解偏頭痛、幻肢痛、創(chuàng)傷后遺癥和強(qiáng)迫癥等。相關(guān)商業(yè)案例包括針對(duì)癲癇治療的NeuroPace的RNS系統(tǒng)、針對(duì)睡眠障礙療愈的沒出初創(chuàng)公司Cerêve，針對(duì)學(xué)習(xí)障礙治療的BrainCo。
一家名為foc.us的公司致力于通過可穿戴設(shè)備刺激人腦產(chǎn)生α波，從而達(dá)到心流體驗(yàn)（圖片來源:foc.us官網(wǎng)）
上述應(yīng)用都面向醫(yī)療領(lǐng)域的修復(fù)方案，BCI應(yīng)用還有超越醫(yī)療領(lǐng)域的構(gòu)想。比如初創(chuàng)公司Neurable致力于更快捷交互模式的研發(fā)，將VR/AR于BCI結(jié)合，期待人們用意念操控汽車等設(shè)備。Kernel Co則專注大腦技能水平的增強(qiáng)，如通過芯片“讀取+改寫神經(jīng)密碼”來改善長(zhǎng)期記憶力。
Elon Musk則更進(jìn)一步，憧憬一個(gè)全民普及的BCI，融合娛樂、辦公、遠(yuǎn)程控制、增強(qiáng)記憶等多項(xiàng)功能。簡(jiǎn)而言之，Elon Musk的Neuralink是要把我們現(xiàn)在離不開的手機(jī)、電腦等多種設(shè)備壓縮進(jìn)一個(gè)隨身攜帶的BCI，并且實(shí)現(xiàn)總體大于部分之和的更多功能。
如前所述，接口主要實(shí)現(xiàn)記錄（Recording）和激活（Stimulating）。接口是信息的收集和傳輸中介，目前主要運(yùn)用的BCI工具有EEG，ECoG，LFP等，更尖端更精細(xì)化的技術(shù)包括Single-Unit Recording，patch clamp和sharp electrode recording等。
下圖展示了不同工具（EEG，ECoG, LFP）接入腦部的不同位置：
（圖片來源：Wait but Why）
最理想的BCI工具是大規(guī)模、高解析度、非入侵式的，但目前的技術(shù)只能在其中某幾項(xiàng)指標(biāo)上做到理想情況。下表從規(guī)模、解析度、侵入性各方面比較了不同工具的優(yōu)劣：
上面提到的超級(jí)精細(xì)化的裝置膜片鉗（patch clamp）不但可以記錄（Recording）神經(jīng)元活動(dòng)，還可以刺激（Stimulating）神經(jīng)元活動(dòng)。因?yàn)槟てQ可以接觸到單個(gè)細(xì)胞，所以它可以將電流或者電壓根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求施加到神經(jīng)元上。上面提到的其他記錄（Recording）工具也可以實(shí)現(xiàn)激活（Stimulating）功能，但只限于激活整個(gè)神經(jīng)元組。
小線菌先引出幾個(gè)BCI現(xiàn)階段的瓶頸，有興趣的朋友可以思考思考，歡迎留言交流🤗
腦（Brain）：人類對(duì)腦科學(xué)探索還處于嬰兒期，如何在腦科學(xué)認(rèn)知限制條件下研發(fā)BCI？
機(jī)（Computer）：帶寬瓶頸——如何小兒巧地容納大量信息？
接口（Interface）：如何解決生物相容性問題？人的免疫系統(tǒng)排斥本體之外的”入侵”物體，如何讓BCI融入有機(jī)體？
腦機(jī)接口（BCI）：倫理問題——試驗(yàn)階段，如果開顱，可以做大量生物實(shí)驗(yàn)嗎？推廣階段，如果讀心實(shí)現(xiàn)，隱私何在？
小線菌先留個(gè)懸念在這里，下期繼續(xù)與你分享一些腦洞大開的有趣破解法。
