1.2 什么是脑机接口

如上所述，脑机接口就是为了实现隔空移物的能力，人们在电子通信和计算机技术诞生的背景下想出的一种物理实现形式。当时，新兴的个人计算机、通信、信号处理、家用电器设备等技术及神经科学的发展，很容易让身处其中的一些科技工作者想出这样一个整合系统。所以，在这种物理实现形式里，我们能够看到很深的时代技术背景的印记，比如计算机、电器和脑电波。试想，如果时代的技术平台不一样，那么我们对于隔空移物的构想是否会是另一种形式呢？答案是肯定的。一个例子就是，如在电影《阿凡达》中展现的，地球人的意识可以被导入另外一种生物人的身体，并在另外一个世界里生活。作为一种良好的科学习惯，我们应该保持这样的开放式头脑。

脑机接口的英文有两种说法：一是Brain-Machine Interface（BMI），二是Brain-Computer Interface（BCI）。由于计算机（computer）是我们迄今为止发明的伟大机器（machine）的代表，而脑机互联都是将脑与计算机相连来实现通信中继的，因此BCI这个词现在用得比较多。那么，这个名称为什么要加一个拗口的“接口”呢？其实，通常意义上的“脑机接口”指的是一个整体系统，并非仅指那个物理的“神经接口”。之所以是这样一个专有名词，一是因为这一概念的提出者最早是这样提的，业界习惯了；二是因为当时概念的提出者可能认为在整个系统中，脑与机器之间的物理通信接口是最关键的技术部分，所以着重强调。在本书中，我们不妨把这一物理通信接口本身称作“神经接口”，以与系统层面的脑机接口区别开来。诚然，神经接口确实是整个脑机接口系统中的瓶颈技术，这不仅在50年前“脑机接口”概念提出的时候是这样，现今依然如此。这个方向也正是我从事20余年研究的专业方向。神经接口的技术瓶颈问题体现在两个方面：一是物理稳定性，二是通信带宽。

自从将神经微电极植入动物和人体内以来，机体对电极的免疫排斥反应以及最终导致电极失效的现象，一直是困扰侵入式脑机接口研发和应用的最大难题。虽然在电极设计、材料和制作方面进行了各种改进，但这一难题仅仅得到了些微改善，迄今为止仍然没有成功的解决方案。我们将在第11章中对此问题进行专门阐述。

针对某一意识或行为，大脑的相关指令信号常常分布在多个区域，这就要求从多个区域采集神经电信号。然而，在多个脑区植入电极存在空间障碍等技术问题。另外，每个神经微电极仅能采集几个神经元的电信号，而大脑皮层内某一特定神经回路中神经元的密度高且分布广，这就需要多电极通道和高电极排列密度。然而，这样的要求面临非常艰难的技术挑战：第一，高密度的电极阵列将在空间上排斥脑组织，植入时和植入后都会对脑组织和功能造成更大的机械损伤；第二，高密度、多通道的电极阵列需要很高的数据传输速率和相应的实时分析运算，但对这种植入式的微型电子器件而言，其体积尺寸、算力和功耗都受到很大的限制；第三，高集成度、高算力的芯片功耗高、发热量大，会对周围组织造成热损伤，因而无法被这类植入式应用所接受。所以，神经接口通信带宽的制约是一个由综合因素决定的问题。目前仍处于实验阶段的高密度神经电极阵列最多也只达到几千个通道，比如美国Neuralink公司的The Link系统和Paradromics公司的Connexus 直接数据接口（Direct Data Interface），然而，这相较于高通量神经接口的理论需求，仍然还差一个数量级。

其实，脑机接口是人类对一种更高级的工具使用方式的美好设想。当我们可以不通过低效的运动输出（如用手写字、打字或语言）和感觉输入作为中继与周围的物理世界打交道时，我们的交互或生产效率将会显著提高，从而使人类迈入一个新的工具时代。脑机接口技术有可能是继智能手机之后的下一代人机交互方式，所以，目前得到了极高的社会关注。随着信息技术和神经科学在过去一个世纪内的突破和发展，当今的科技平台为快速推进和最终实现这一技术的商业化落地，提供了前所未有的历史性机遇。