从霍金到黑客帝国——让科幻电影照进现实

无论是科幻小说中的描述，还是电影《黑客帝国》中的场景，追求“蝴蝶一样自由的思维”，甚至是所谓“永生”，一直人类美好的梦想。但站在神经科学和神经工程的角度，今天我们离这个目标还很遥远，根本的问题在于我们对大脑内部的工作机制，信号的传播方式，特别是信息编码的规律知之甚少。

脑机接口技术的意义

有一本很著名的回忆录，叫做《潜水钟与蝴蝶》，作者是法国时尚杂志ELLE主编Bauby。一天Bauby从床上醒来，发现自己四肢乃至几乎全身无法动弹，甚至一点声音都发不出，唯一能做的只是眨一眨左眼。语言治疗师Henriette对他尽心照料，Bauby想对她说声谢谢，他需要在Henriette一遍遍复述法语字母表的时候，眨五次眼睛，才能“拼写”出MERCI这个法语单词。经诊断，Bauby患上了突如其来的中风，全身肌肉瘫痪，进入了完全闭锁的状态（Locked-in Syndrome），眨动左眼是他唯一和外界交流的方式，可是他的大脑和思维是完全鲜活而正常的，这种孤独与绝望可想而知。不可思议的是，Bauby竟然靠眨眼睛“写”出了这本回忆录《潜水钟与蝴蝶》，同名电影还获得了2008年的金球奖。这就是脑机接口技术的意义，总有一天脑机接口技术会帮助Bauby这样的病人，让他们不再生活在密闭的“潜水钟”里，通过脑电或者神经活动自由地表达自己，让思想可以像“蝴蝶”一样自由地飞翔。

其实像Bauby这样思维被封闭在瘫痪身体中的病人不在少数，一个更有名的例子就是著名物理学家霍金，他患有肌萎缩性脊髓侧锁硬化症（ALS），也就是2014年夏天流行的“冰桶挑战”提醒公众关注的“神经渐冻症”。 “神经渐冻症”的发病原因还没有研究清楚，目前也没有治疗和康复的办法。病人在发病初期出现肌肉无力萎缩的症状，随着病程发展，逐渐失去运动、说话和吞咽能力，甚至需要呼吸机帮助呼吸。高位截瘫、重症肌无力等疾病也会带来运动和沟通的困难，他们同样需要脑机接口的帮助。

脑电波的原理

脑电信号是脑神经组织的电生理活动在大脑皮层表面的总体反映，因此分析大脑结构有利于更好地阐述脑电波原理。大脑皮层，也称大脑皮质，是人脑的三大部分之一，主要负责人体的认知以及情感功能。大脑皮层被三条沟壑分成五个大部分，它们分别是额叶、顶叶、枕叶、颞叶以岛叶。

位于大脑的前部的是额叶，主要负责专注力、短时记忆任务等相关任务。位于枕叶之前的是顶叶，该部分与感觉信息相关，如触感，空间感等。位于双侧大脑半球外侧裂的下方的是颞叶，主要负责处理输入信息，比如视觉、听觉等，同时在长期记忆中发挥重要作用。位于颅骨的后部分的是枕叶，功能约等于视觉处理中心。岛叶是大脑皮层外侧沟，研究表明其与情感和意识有关，还包含运动控制、自我意识、人际交往等功能，同时精神类疾病据大量研究证明也与岛叶有关。

大脑活动时电信号的变化活动数据可以形成脑电图。脑电图反映的是大量神经细胞活动的总和。单个神经细胞产生的脑电信号十分微弱，因此在大脑皮层上可产生多个频率的不同振幅。这些脑电活动的振荡特征描述了不同的大脑状态。

大脑皮质的电活动两种主要形式为自发脑电活动和诱发的电活动。自发电位活动指的是人自主地在不同情绪状态下，表现出的对应的脑电波频率波动。而诱发电位需通过外界刺激产生。

脑机接口技术的诞生

科学家最早尝试脑机接口研究，出现在1963年。当时英国Burden Neurological Institute的Grey Walter医生用当时非常前沿的脑电技术和他的病人开了个“玩笑”。这些癫痫病人因为确定脑内病灶的需要，做了手术，脑内放了电极，贴近大脑皮层，可以获取非常清晰的神经活动。因为电极比较大，记录阻抗低，虽然不能记录单个神经细胞的放电，但能记录到电极周围神经细胞共同活动的场电位(Field Potentials)。这些病人会带着电极在医院生活一两周。Walter医生突发奇想，在病人们欣赏风光幻灯片的时候，偷偷把脑电电极连接到了自己发明的“电位转换器”上，把病人大脑运动皮层的场电位信号，转换成了幻灯机换片的控制信号。于是“心想事成”的奇迹发生了：病人每次打算换片，但还没有按动按钮时，幻灯机就已经知道了他的想法，自动换片了！这是脑机接口技术的第一次完整实现：采集大脑神经信号，翻译转换后控制外部设备。

这个概念在当时非常超前，只有科幻电影中才会出现。这个“玩笑”背后是Walter医生通过对脑电活动的定量测量和深入探索，发现了与注意和期待有关的脑电活动。在此之前，所谓“脑电”仅仅指每秒10次左右的节律性起伏（Alpha波），通过这种起伏可以推测人脑的警觉状态，不能反映精细的思维活动。Walter医生也是个非常优秀的工程师，他采用多次平均技术，去除噪声，得到脑电发明以来最“纯净”的脑内活动波形——事件诱发电位（Event Related Potential , ERP)，从此科学家通过事件诱发电位定量研究大脑对外界视觉听觉刺激的响应规律，以及大脑内部认知过程的展开，从此打开了一扇研究人脑的新窗口。

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