姜申 李崢

摘 要：腦在計算機術(shù)語中被稱為“濕件”，是相對于“硬件”——即無機計算系統(tǒng)而言的“有機計算中樞”。二者都是電荷的承載基質(zhì)：一個基于數(shù)字電信號，一個基于生物電信號。人工智能時代的到來，使硬件智慧大幅提升;為平衡差距，腦機接口（BCI）的研究突然加速。侵入式與非侵入式腦機接口的較量在2019年進入白熱化，其進路分化與目的性分層漸趨明朗。美國能否抓住BCI的戰(zhàn)略機遇，在信息“濕件”領域追趕5G“硬件”，實現(xiàn)彎道超車。

關(guān)鍵詞：腦機接口;BCI;“濕件”;人機界面;交互

中圖分類號：TP3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-8122（2020）05-0004-04

腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）也被稱作“腦機融合感知”，指在生命體腦部器官與電子硬件設備之間建立有線或無線通路，以進行信息傳遞甚至信息交換的科學概念。近年來，腦機接口已從科幻作品中無邊際的幻想逐漸落為技術(shù)現(xiàn)實。本文所指的腦機接口是一個科學議題，這里的“腦”指生命體內(nèi)部構(gòu)成思維的“神經(jīng)元”及其腦波，而非“意念”;“機”指非生命形態(tài)（特別是電子電路及芯片）所構(gòu)成的硬件系統(tǒng)。腦在計算機術(shù)語中被稱為“濕件”，是相對于“無機計算系統(tǒng)”而言的“有機計算中樞”。二者的相似之處在于：它們都是電荷的承載基質(zhì)，一個基于數(shù)字電信號，一個基于生物電信號。它們都在電荷運動與轉(zhuǎn)換過程中完成信息的編碼、過濾、整合，最終實現(xiàn)運算結(jié)果或思維判斷的指令輸出。以“比特”為單位的數(shù)字電信號和以“神經(jīng)元突觸”為傳導的生物電信號都是計算與思維系統(tǒng)中反映消息的物理量。由于具有共通性，長久以來人們總希望有機構(gòu)成的“濕件”能夠與無機構(gòu)成的“硬件”及“軟件”相互貫通，以提升各自性能。

一、應對人工智能的隱憂

最近幾年，人們對“實現(xiàn)貫通”的希望日益迫切。原因在于人工智能（AI）的發(fā)展熱度急劇提升。計算機硬件的“智慧能力”被愈加強化，一時間，機器思維超越人類的聲音不絕于耳，引起社會憂慮。以科技探索的先鋒式人物埃隆·馬斯克（Elon Musk）為代表的一部分人開始呼吁：關(guān)注人工智能給人類帶來的潛在威脅。他說：“通過人工智能，我們正在召喚惡魔”“并非所有的AI期貨都是良性的”“我們有一天會發(fā)現(xiàn)自己生活在專制控制下，獨裁者正是我們創(chuàng)造的機器人霸主”[1]。2017年7月15日，在美國由各州聯(lián)邦組成的“國家執(zhí)政者協(xié)會”（National Governors Association）例會上，馬斯克透過演講不斷重申他對人工智能的長遠憂慮[2]。這說明對人工智能擔憂的探討已經(jīng)上升到國家政治的層面。

“人工智能必將對其他物種構(gòu)成威脅。如果AI變成了這樣一個最高智能物種，而它又不屬于人類，它具有自我意識，那人類就被歸入‘其他物種的類別了。”也就是在那個時候，馬斯克為應對挑戰(zhàn)創(chuàng)立了“Neuralink”，一個以腦機接口為對象的科研企業(yè)。在他看來，“AI的崛起只是時間問題，在那一天到來之前，人類務必要避免自己落入‘其他物種的境地。在AI與其他所有物種共存的未來，人類只有一個選擇，就是成為AI”[3]。 至此一晃，兩年已過。2019年夏末，馬斯克高調(diào)宣布他的公司已經(jīng)找到貫通腦機的連接方法，即通過機器人實施腦神經(jīng)手術(shù)，在頭部執(zhí)行無痛、微創(chuàng)的導線穿刺，在顱腦中植入芯片并透過芯片接口與外界的電子設備相連，以讀取腦部信息。在這一名為“腦后插管”的新方法中，蘊含著以下幾項技術(shù)突破。

其一，是發(fā)展出用于執(zhí)行“插管”手術(shù)的機器人，其技術(shù)可用激光對腦部表皮及皮下組織（包括頭骨）實施穿刺鉆孔，繼而將導線、電極快速植入。植入速度為每分鐘6根線。這樣無需開顱、創(chuàng)面極小的神經(jīng)外科機器人手術(shù)可將手術(shù)時間控制在45分鐘左右，并可以避開腦部血管，以減少術(shù)后炎癥的反應率。

其二，是研發(fā)特殊材料的導線。這種導線的直徑只有4～6微米，比人類發(fā)絲要細很多，其中含有兩層導體和三層絕緣體。它的作用，一方面，是確保腦機接口內(nèi)外的信息連通;另一方面，是承載與腦神經(jīng)相接觸的“電極”，或被稱為“超細薄膜材料制造的、具備生物相容性的微神經(jīng)探針”[4]。手術(shù)最多可植入3 072個電極（在老鼠身上試驗時），它們分布在96根導線上（每根線上有32個獨立電極）。與1998年（1998年）布朗大學的約翰·多諾霍（John Donoghue）教授實施的早期腦機結(jié)合試驗（BrainGate）相比，現(xiàn)在的電極分布效率是極高的。布朗時期的探頭通道最多只有128個電極，電極越多意味著可以收集更周全的腦部數(shù)據(jù)。導線的材料也有了飛躍，新型導線具有靈活的韌性而不像布朗時期所使用的硬針。線材的柔性可延長導線壽命、跟隨腦部移動。

其三，是開發(fā)專用的集成電路（電子芯片），由處理器、連接電極的聚合物導線、負責供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB-C接口及外殼組成。處理器的作用是放大信號，將模擬生物電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號并抑制噪聲。在微功耗、微尺寸的極端環(huán)境下對微弱的神經(jīng)信號進行采樣和加工，并實施高密度、多通路信息記錄，還要防止芯片被體液侵蝕或引起身體不適，這些都對芯片的制造提出嚴苛要求。

當然，如集成芯片的固定、電源的匹配、腦機接口的工作時長、信號輸出的有線與無線方案等，尚未明確。這說明項目還處于初步的方法驗證階段。但從發(fā)布的視頻看，植入這項技術(shù)的動物（鼠或猴子）已經(jīng)可以用腦神經(jīng)控制自己，在計算機模擬的三維空間進行方向移動。這種用意念控制自身狀態(tài)的交互方式，遠比觸控交互來得自然。目前，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)遇到發(fā)展瓶頸，原因之一便是主體性感觀沉浸與非自然的它者化觸控之間所形成的界面感知矛盾。腦機接口透過腦神經(jīng)實施意念操控，可以大大克服交互體驗中非自然界面所帶來的障礙。腦機接口在交互動畫、三維游戲或幫助癱瘓病人重獲操控力方面都有巨大潛力。

二、腦機接口的進路分化

當然，腦機接口（BCI）的探索并不是Neuralink一家獨大。2017年，幾乎與Neuralink同時步入腦機融合領域的還有Facebook。后者于2017年4月首次宣布其BCI研發(fā)計劃。2019年夏，在馬斯克攜Neuralink發(fā)布技術(shù)突破后僅兩周，F(xiàn)acebook也迫不及待地公布了自己的BCI研究成果。激烈的研發(fā)競爭已經(jīng)開始。

Neuralink與Facebook的競爭，代表著BCI技術(shù)的兩個截然不同的發(fā)展路徑。前者青睞于“侵入式”BCI技術(shù)，即通過外科手術(shù)使電極與神經(jīng)元產(chǎn)生實際的物理連接;后者則力主“非侵入式”可穿戴方案，即透過佩帶腦電圖或其他腦波感應裝置實現(xiàn)腦信息交互。這兩種技術(shù)路徑在很早前就已確立，美國各大學實驗室也早已分成兩派、各自探索;但真正吸引頂級資金、頂級科研團隊展開公開的研發(fā)較量，始于2019年夏季。兩種BCI進路的區(qū)別在于以下幾點。

首先，二者感知的腦部意念層次不同。侵入式BCI主要對腦部神經(jīng)元的綜合意念進行感知和分析，所以它的意念感知域比較廣（包括思維、肌肉運動等多個側(cè)面）;非侵入式BCI研究的核心是語言功能區(qū)，目前其大部分精力是針對語言意念層面的腦電感知（類似于“意念打字”）。后者在研究范疇上有所縮小，但利于深耕。與Facebook合作的加州大學舊金山分校BCI團隊最近已證明：使用非侵入式設備在“人們說話時記錄的大腦皮質(zhì)活動，可以用來完成實時解碼，并將文字呈現(xiàn)于電腦屏幕上”。甚至宣稱：“再過不久，我們僅靠意念就可以打字聊天、向計算機發(fā)出指令了”[5]。

其次，二者在探測精度與安全性方面陷入悖論。普遍認為，植入式觸點（電極）的探測精準度要比非植入式的頭皮貼片（或頭帶）高得多，能夠識別更加復雜的神經(jīng)指令;但手術(shù)植入的安全性大打折扣，消費心理的畏懼感陡然增大。目前面向消費市場的產(chǎn)品都是非侵入式BCI。

再次，實驗路徑不同。由于侵入式BCI對生命體有顯性破壞效果（開顱），手術(shù)實驗多在鼠類或猴子身上實施，技術(shù)穩(wěn)定后才能在人體上進一步驗證。而非侵入式BCI對身體的看見損傷幾乎為零，一開始便應用于人體，已積累大量的人腦采樣數(shù)據(jù);并已同步應用在醫(yī)學、教育、新媒體、藝術(shù)等各個領域，可以邊研究、邊應用，進展速度較快。

最后，就地緣文化差異來看，對語言更為依賴的非侵入式BCI，在短時間內(nèi)給非英語交流國家的用戶可能帶來消費阻力，繼而產(chǎn)生新的“知溝”。

對語言差異的擔憂為時尚早。目前非侵入式BCI的技術(shù)目標只是分辨1 000個單詞，分辨速度每分鐘100字，錯誤率低于17%。事實上現(xiàn)有的技術(shù)與這些指標還有一定差距。真正的未知數(shù)，在于侵入式BCI于2020年進入人體試驗階段時，能帶來多大的驚喜。

三、目的性分層

從研究目的與目標看，對腦機接口的期待，在時間線上有明顯的層次遞進，我們稱為目的性分層。

就“短期”目的看，生存是科研得以繼續(xù)的保證。因此，鞏固BCI技術(shù)的實用價值、提升讀取性能、使人們看到未來的潛力——即所謂鼓舞士氣（包括投資人、用戶和科研伙伴）尤為重要。接著就是推動科研與量產(chǎn)并行發(fā)展，馬斯克尤其強調(diào)Neuralink要為醫(yī)療的急迫需求生產(chǎn)設備。只有更早地進入應用領域，才可以獲得更多的科研數(shù)據(jù)和用戶支持。標準化，也是短期目標的一部分，如手術(shù)機器人、電極導線產(chǎn)業(yè)標準等。這是為了積累技術(shù)、提高競爭門檻，也為大規(guī)模量產(chǎn)和應用打下基礎。

再長遠一點看， BCI的“近期”研究目的趨向于將技術(shù)看作是體內(nèi)計算機（異物植入），通過硬件的幫助來實現(xiàn)腦信息單向輸出、準確識別、意念施控，以提升人機交互界面的自然屬性。

“中期”目的則基于生物電信號與數(shù)字電信號的雙向信息連通與融合，將人類“濕件”與電子“軟硬件”合二為一，看作是有機生命的一個整體，著力提升有機整體的環(huán)境交互能力與生活質(zhì)量。即修復機體的操控缺陷、改善大腦運行效率、增強思維算力和記憶力、溝通腦機實現(xiàn)互動。到那時，日趨成熟的BCI技術(shù)將與各種視覺、聽覺、觸覺等可穿戴設備相結(jié)合，全面改善人體感觀和各方面信息通路。

而BCI的“遠期”目的會把拓展人的思維能力、智慧水平看作重要方向。思維能力的延展，體現(xiàn)在記憶精度、計算能力及領悟力方面，更重要的是打通“人機”與“人際”之間的界限，即在人與人、人與機器之間形成“思維共在”。畢竟，與機器共同成長，才能確保人工智能為我所用。當然，以今天的智慧水準看，打通思維界限意味著暴露個人隱私，會陷入倫理焦慮與恐慌。但那是非常遙遠的事，那時的社會狀況、人際關(guān)系和心智水平都會大大超越今天，大可不必杞人憂天。

四、機遇與展望

新的技術(shù)，亦帶來重要的戰(zhàn)略機遇。這對于站在民族復興與技術(shù)趕超之路上的中國尤為關(guān)鍵。Neuralink與Facebook都是腦機接口的重要科研主體，其目的性相似，而研究路徑與實驗方法各異。從美國宏觀的技術(shù)戰(zhàn)略意義上看，實現(xiàn)了雙管齊下的多層次研究布局，為新技術(shù)的引領占據(jù)了有利地形。從實力上看，不論歐洲、東亞還是中東（以色列）都沒有實力在BCI領域與美國進行角逐。就中國來看，BCI研究正日益受到重視，清華大學的生物醫(yī)學工程團隊長期在腦機結(jié)合與腦電磁探索方面積累經(jīng)驗。其團隊和解放軍總醫(yī)院合作的微創(chuàng)腦機接口研究，已經(jīng)進入實際臨床植入階段。胥紅來、黃肖山等人創(chuàng)建的神經(jīng)科技企業(yè)（博?？担┮勋@得多輪投資。其研發(fā)的多通道腦電磁分析系統(tǒng)（EEG/ERP）已廣泛應用于國內(nèi)外科研、醫(yī)療領域。孵化于哈佛大學的華人BCI企業(yè)BrainCo已落地深圳并實現(xiàn)非侵入式BCI設備的研發(fā)和量產(chǎn)。

可以說，中國在BCI領域的參與是積極而活躍的。但一方面，我們還處于技術(shù)跟隨狀態(tài)，并沒有做到領先;另一方面，國內(nèi)市場對BCI的基礎研發(fā)投入也大大落后于歐美。一點開花，尚難以形成呼應。大部分國人對腦機融合的認識還停留在科幻的印象里，沒能夠上升到國家戰(zhàn)略的高度來關(guān)注BCI。當然，面對美國的技術(shù)優(yōu)勢，亦不能妄自菲薄。不論國外研究多么領先，其探索仍停留在解決“神經(jīng)界面”的初步階段;BCI真正爆發(fā)的基礎是“神經(jīng)解碼”，這個領域的科學競爭尚未開始。

現(xiàn)在提國家戰(zhàn)略，是因為有前車之鑒。20世紀80年代美國曾與日本因消費級影視硬件產(chǎn)業(yè)展開技術(shù)戰(zhàn)。那時日本憑借錄像機與錄像帶產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，霸占全球家庭影像市場。他們沿著線性邏輯，在模擬電視領域搞超精細顯像技術(shù)，精度達到頭發(fā)絲的十分之一。松下、日立、索尼等廠商將大筆資金投入高清錄像機、高清顯像管的研發(fā)中，卻在光存儲（可視光碟）領域陷入與歐洲的競爭，隨后被美國的數(shù)字影像格式與互聯(lián)網(wǎng)傳輸格式徹底擊敗。當自己建立的技術(shù)發(fā)展邏輯與標準被他人超越時，美國的思想往往是以創(chuàng)新“彎道超車”。這說明，走單一的技術(shù)路線是不行的。今天中國把5G視為國家戰(zhàn)略，沿著2G跟隨、3G突破、4G同步、5G引領、未來6G創(chuàng)造輝煌的線性邏輯大步挺進。我們在做好通訊硬件產(chǎn)業(yè)布局的同時，也要有技術(shù)前瞻性，做好相關(guān)的技術(shù)儲備、實時跟進。

就BCI來說，侵入式與非侵入式之爭尚無分曉。但未來一旦語言層面的腦機輸入占據(jù)了上風，就又會掀起一次單一語言在技術(shù)層面上對文化單一化的全球洗禮。20世紀80年代早期，蘋果電腦風靡全球時，漢字經(jīng)歷過一次電腦輸入、顯示與排版的數(shù)字化危機。面對字母鍵盤，象形文字在電子化方面一籌莫展。教育部被迫設立緊急預案，幾乎要從小學一年級普及英語教育、適應西方鍵盤。以后的轉(zhuǎn)折大家都清楚：王選發(fā)明中文激光照排系統(tǒng)，其后一大批中文字庫與輸入法涌現(xiàn)。中國在互聯(lián)網(wǎng)來臨的前夜趕上了數(shù)字化發(fā)展的快車，克服了那次危機。如果有一天，英語世界進入了腦機交互的新時代，中國又將何去何從？我們拭目以待。

參考文獻：

[1] Clifton Leaf，“Elon Musk Fears A.I. He Isnt the Only Genius to Worry Tech Will Destroy Us.”Fortune，2017-08-30.

[2] 要了解人們對人工智能的憂慮，請參閱馬斯克與他人創(chuàng)建的非營利組織“OpenAI”，該組織希望找尋“通往安全的人工智能道路”.

[3] Tim Urban，“Neuralink and the Brains Magical Future” Waitbutwhy， 2017-08-20.

[4] Elon Musk， Neurolink， “An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels” BioRxiv[EB/OL]. https：//www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v1， 2019-07-17.

[5] David A. Moses， Matthew K. Leonard， Joseph G. Makin & Edward F. Chang， “Real-time decoding of question-and-answer speech dialogue using human cortical activity”.Nature Communications，2019-07-30.

[責任編輯：楊楚珺]