腦機接口發展史2：無創腦機接口的前世今生

作者：奶樹

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用意念操控無人機飛行，讓癱瘓患者重新行走，甚至讓無法言語的人“開口”說話——這些曾經只存在于科幻小說中的場景，正通過無創腦機接口（Brain-Computer Interface, BCI）技術一步步走向現實。

在所有BCI技術中，無創腦機接口因其無需手術、安全性高的特點，成為了最先進入大眾視野并展現出巨大應用潛力的領域。而無創腦機接口的歷史，要從一個世紀前那張模糊的腦電圖開始，這也是人類追尋如何學會“閱讀”大腦的語言的開端。

心靈感應的執念：腦電圖的誕生

無創腦機接口的歷史，與一位名叫漢斯·伯格（Hans Berger）的德國精神科醫生的故事緊密相連。伯格的科研之路，始于一次驚心動魄的經歷。

年輕時，他在騎兵部隊服役，一天在訓練中不幸從馬上摔下，險些被后方的大炮車碾過。幸免于難的他，當晚竟收到了久未聯系的家人的電報，詢問他是否平安。原來，在他遇險的同一時刻，遠方的姐姐心中突然感到一陣強烈的不安，堅信弟弟身處險境。

這次巧合在伯格心中埋下了一顆種子，他開始癡迷于“心靈感應”的可能性，并猜測在極端情緒下，大腦或許能發出某種物理信號被遠方的人接收。這個看似天馬行空的想法，驅動他將余生投入到對大腦電活動的研究中。

漢斯·伯格

在伯格之前，已有科學家在動物大腦上檢測到了微弱的電信號，并將其稱為“腦電波”。但從未有人成功記錄到來自人類頭皮的腦電信號，主要原因在于打開頭顱檢測腦電波，在絕大部分人看來仍然非常危險且后果難以預測。但是隨著研究的進行，伯格逐漸發現，和過去的動物實驗不同，其實我們無需打開顱骨也能捕捉到這種信號。

在經歷了多年坎坷與失敗后，1924年，他終于取得了突破。借助當時西門子最精密的電流計，他將電極貼在自己兒子的頭皮上，成功記錄下了人類歷史上第一張腦電圖（Electroencephalogram, EEG）。

人類歷史上檢測到的第一份腦電圖（第一行）

伯格發現，這些腦電波并非雜亂無章，而是呈現出規律性的節律。他將人在閉眼放松狀態下出現的規律波形命名為α波（Alpha Wave），而當人睜開眼睛，進入專注思考狀態時，α波會消失，取而代之的是頻率更快的β波（Beta Wave）。此外，他還發現了與睡眠狀態相關的δ波和θ波。

伯格醫生與他使用的電流檢測儀

然而，由于伯格性格內斂，且擔心這個結果太過離奇而不被接受，他將這些開創性的數據塵封了五年之久，直到1929年才公開發表。

果不其然，學界最初對此充滿了懷疑。直到1934年，諾貝爾獎得主埃德加·阿德里安（Edgar Adrian）成功重復了他的實驗，伯格的發現才得到主流學術界的承認。漢斯·伯格發明的EEG技術，被公認為是世界上第一個腦機接口，它為無創地“竊聽”大腦活動打開了一扇大門。

從藝術到應用：BCI概念的萌芽

EEG的出現，讓人們第一次能夠實時觀察大腦的“情緒”。最早的腦機接口應用，出人意料地出現在了藝術領域。

1965年，美國先鋒派作曲家阿爾文·盧西爾（Alvin Lucier）創作了一部名為《獨奏者音樂》（Music for Solo Performer）的作品。表演時，他將EEG電極貼在頭上，系統會捕捉他大腦產生的α波，并將其轉化為信號來敲擊大鼓、鈸等打擊樂器。表演者需要通過閉眼來產生α波，“演奏”音樂。

這可以說是最早的“腦波音樂”，也是BCI最早的雛形之一。

《獨奏者音樂》現場

真正從科學上提出“腦機接口”概念的，是法國計算機科學家雅克·維達爾（Jacques J. Vidal）。1973年，他在一篇論文中首次使用了“Brain-Computer Interface”這個術語，并構想了一套完整的系統框架：通過EEG捕捉大腦的輸出信號，利用計算機算法進行解碼，最終實現讓大腦直接控制光標、假肢等外部設備。他自己也實現了腦電波控制光標的簡單操作。

維達爾提出腦機接口概念時的設計圖

然而，在維達爾提出概念后的近二十年里，BCI的研究一度陷入沉寂。受限于當時計算機的處理能力和信號解碼算法的落后，加之分子生物學、太空探索等領域吸引了大量科研經費，腦機接口的發展進程相對緩慢。

直到八九十年代，相關的應用才開始逐漸涌現，比如在1988年，有團隊發表了第一篇用EEG控制實體機器人移動的論文，他們利用睜眼和閉眼時α波的變化來啟動和停止一個微型機器人。

意念控制的N種方式：現代無創BCI范式

隨著計算機技術和算法的飛速發展，無創BCI在20世紀90年代后迎來了蓬勃發展期，并衍生出幾種主流的技術范式。

運動想象（Motor Imagery）

當我們想象自己移動左手或右手時，大腦中負責運動控制的區域會產生特定的、可被EEG檢測到的電信號擾動，這被稱為“感覺運動節律”。通過解碼這些信號，就可以實現對外部設備的控制。

1991年，已有團隊開發出通過想象手臂揮舞動作來控制電腦光標上下的系統。2013年，美國明尼蘇達大學的賀斌教授團隊更是實現了讓受試者通過想象握左拳、握右拳或雙手同時握拳，來分別控制無人機左轉、右轉或上升。

控制無人機時左右手握拳檢測到的腦電信號

這一技術最激動人心的應用，莫過于2014年巴西世界杯的開幕式。一位下身癱瘓的青年，身穿一套外骨骼機器人，頭戴EEG腦電帽，通過“想象”踢球的動作，成功開出了比賽的第一球。

2014年巴西世界杯開賽時的第一球

穩態視覺誘發電位（SSVEP）

這是利用視覺皮層對特定頻率閃爍光的反應來實現控制。簡單來說，屏幕上可以設置多個閃爍的按鈕，每個按鈕的閃爍頻率都不同（如6Hz, 7Hz, 8Hz）。當你的眼睛注視其中一個按鈕時，你的大腦視覺皮層就會產生一個與該按鈕閃爍頻率相同的腦電信號。

穩態視覺誘發電位原理圖

計算機通過識別這個特定的頻率，就能判斷出你想按哪個按鈕。 我國清華大學的高小榕教授團隊是該領域的全球領先者。他們曾為一位得了漸凍癥、只有眼睛可以移動的患者定制了一套這樣的系統，讓他可以正常說話。

P300電位

當你在眾多信息中，突然看到一個你正在期待或覺得新奇的目標時，你的大腦會在大約300毫秒后產生一個被稱為“P300”的特殊腦電信號。1988年，美國科學家伊曼紐爾·唐欽（Emanuel Donchin）利用這一原理發明了“P300拼寫器”。

霍金專屬的P300拼寫器

在一個由字母和數字組成的矩陣中，各行各列會隨機快速閃爍。使用者只需盯住自己想輸入的那個字母，當該字母所在的行或列閃爍時，大腦就會產生P300信號，系統捕捉到這個信號后，就能確定用戶想要選擇的字母。這套系統也曾被嘗試用于為斯蒂芬·霍金開發新的交流工具。

機遇與瓶頸：無創BCI的未來之路

無創腦機接口的最大優點顯而易見：安全、便捷、接受度高。它不需要進行任何外科手術，只需佩戴一個類似頭盔的設備即可，這使其在商業化和普及方面具有巨大潛力，而中國在這一領域的發展已處于世界前列。

然而，它的缺點也同樣突出。由于顱骨和頭皮的阻隔，EEG信號非常微弱，且空間分辨率低，我們只能獲得一個模糊、概括的大腦活動信息。這就好比隔著體育場聽里面的歡呼聲，我們能判斷出比賽的激烈程度，卻無法聽清每個觀眾在喊什么。因此，無創BCI能傳遞的信息帶寬有限，控制的精細度和直觀性也較差，往往需要使用者進行大量的訓練來適應系統。

未來，人工智能和先進的解碼算法有望進一步提升無創BCI的性能，從有限的信號中挖掘出更豐富的信息。但要實現真正科幻級別的、復雜而靈活的“心靈控制”，我們或許還需要深入大腦內部，聆聽神經元之間更直接的對話。這，便是我們下一期，侵入式腦機接口將要講述的故事。