脑机接口技术面临的最基础的问题就是对脑电信号本身的解码。尽管目前人类对单个神经元有了不少了解，但我们对于小神经元网络工作机制知之甚少。而在细胞解析层面，我们对于大脑结构的工作机制的认识基本上处于空白。

■本报记者 胡珉琦

巴西世界杯渐进高潮，但对这届世界杯而言，开幕式上巴西瘫痪少年在脑控外骨骼的帮助下进行开球的一幕，恐怕是最值得被记住的。脑机接口，这项备受关注的未来智能技术第一次面对全世界的观众展示它的价值。

就在同一时间段内，天津大学和天津市人民医院联合研制的人工神经康复机器人“神工一号”、中科院常州先进制造技术研究所研制的认知外骨骼机器人1号、日本机器人制造商Cyberdyne开发的可意念控制机械套装等，纷纷走入大众的视野，他们已经可以在康复、军事、生活娱乐等方面派上用场。

脑机接口技术真能很快破译我们所有的想法了吗？

脑机接口可让肌肉主动收缩

认知外骨骼机器人1号有脚、有腿，与人的下半身十分相似，本体全部由航空铝打造，在人体的腰部和腿部分别设有9处固定带，并装有22个传感器、6个驱动器和1个控制器。

据介绍，当实验人员穿上它，即将抬腿走路时，会产生一个运动趋势，这个信号传达给足底的传感器，然后反应到大小腿肌肉，再传达给控制器和驱动器，继而自动设定关节的旋转角度，系统本身通过检测压力变化和人体姿态变化，解读运动意图，推动人体行走，从而达到相一致的动作。

事实上，认知外骨骼机器人1号利用的并不是真正意义上的脑机接口技术，同样是外骨骼机器人，在世界杯亮相的这套系统是通过一个头盔，监测截瘫患者的大脑神经信号，信号将传输给外骨骼机器人系统，系统根据患者的动作意图展开行动，从而实现站立、行走。

相较而言，“神工一号”的技术更为复杂。脑控机械外骨骼是利用被动机械牵引，非肌肉主动收缩激活。“神工一号”把装有电极的脑电探测器戴在患者头部，并在患病肢体的肌肉上安装电极，利用神经肌肉电刺激，模拟神经冲动的电刺激引起肌肉产生主动收缩，带动骨骼和关节产生自主动作。

上海交通大学生物医学工程学院教授何士刚告诉《中国科学报》记者，想要让自身肌肉主动完成一个动作，需要精确地控制一整套肌肉的张力。例如，人的手臂在正常情况下活动，通过曲肌可以让手臂弯回来，通过伸肌可以让手臂张开去，但当它需要保持一个动作时，曲肌、伸肌都得参与，且它们的张力刚好达到某种平衡，才不至于使手臂瘫软下来。而机械外骨骼就不存在张力的问题，不必担心动作无法维持。

对脑机接口而言，多出任何一个参数，控制就会变得复杂许多。可以看出，在帮助恢复病人肢体运动方面，脑机接口技术仍在提升。

破译大脑并不容易

由于很多疾病破坏了脑与外界进行交流的神经肌肉通路，科学家试图摒弃传统的神经肌肉通路，建立新的大脑与外界的信息交流通道，使大脑与外部设备直接对话。脑机接口就是一种不依赖于大脑外周神经与肌肉组成的正常输出通路的通讯控制系统，通过对大脑电信号的监测，分析其携带的信息，人的想法和目的进行推断，产生相应的调节和控制信号从而完成与外界进行交流的任务。

“说到底，脑机接口技术面临的最基础的问题就是对脑电信号本身的解码。”中国科学院自动化研究所研究员蒋田仔指出，“但恰恰是对于这最基本的问题，人类科学对它的认识还停留在非常粗浅的层面。”

何士刚表示，现在所谓的“意念控制”实际上是依靠运动想象，通过提取已知脑区的脑电信号来实现的。而且，这种控制还只能实现人类的一些初级运动。

蒋田仔告诉《中国科学报》记者，人类所有的认知功能都源于大脑中1011个神经元，况且它们并非孤立存在，每一个神经元大约与103 ～104个神经元连接，构成1015个连路。即便目前功能型核磁共振成像技术、电生理化学方法等精密仪器可以扫描出人类在意识活动时的大脑活动状态，它们也无法记录每一个神经元的动作电位，即便能够记录，科学家也并不清楚这些动作电位意味什么意思。

目前能够被识别的特征明显的脑电信号的类别数还很少。现有的研究发现，由受试者自主进行想象活动产生的可以被识别出来的思维任务屈指可数。如果无法把大脑特定区域的某一活动翻译成具体的含义，脑电信号就无法对外部世界发布命令。

巴西世界杯脑控外骨骼的设计者、美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯曾经说过，大量的神经元集合——而不是单个神经元——决定了正常运动功能下面的基本生理单位。皮层上小部分神经元样本，或许不足以通过脑机接口控制复杂的运动行为。

他在观察单个神经元或整个皮层细胞群体的性质时注意到，当两条手臂在双手任务中互相配合时，如果只把指挥右手和左手运动的神经元活动简单地相加，就无法预测某个神经元或整个神经元群体想要做什么。

可见，人类对于自己为什么会产生这些“想法”还一片模糊，尽管目前人类对单个神经元有了不少了解，但我们对于小神经元网络工作机制知之甚少。而在细胞解析层面，我们对于大脑结构的工作机制的认识基本上处于空白。因此，脑机接口还“难解人意”。

构建大脑图谱是脑机接口技术前提

脑机接口技术最早可以追溯到20世纪70年代，如今，它已经尝试应用于临床康复领域；在国防军事领域中也有一定作用，美国空军基地希望用脑电波对模拟飞行器进行控制；它同样可以应用在日常生活中，人们通过进行不同思维任务的想象，产生特定的脑电信号作为指令对外界设备或周围环境进行控制，比如操作计算机、通过思维进行游戏。德国柏林大学的研究人员曾设计了一款“精神打字机”，用户可以通过想象右手运动，控制鼠标箭头的运动。

不过人类显然不满足于此。为了读懂大脑，欧盟和美国相继投入巨资开展了“人脑工程”和“脑计划”。

在“人脑工程中”，根据计划，研究人员需将人类大脑切成8000片，而后利用高性能扫描仪进行数字化处理、绘制人脑详图；同时利用超级计算机描绘和模拟大脑所需的海量数据，将成千上万的神经元模型注入硅片，一种神经形态系统将出现在硅芯片上或硅圆片上，以此作为结构基石，最终组装为一个可正常运转的、完整的人类大脑模型；“脑计划”试图开发一项新技术，追踪人类大脑的功能连接活动，用于探索人类大脑工作机制，绘制脑活动全图。前者重在用巨型计算机对人脑建模，后者则主要针对于模型生物大脑神经回路的实验性测量。

近年来，中国也在脑与认知科学上加强了部署。国家“973”项目先后启动了“脑结构与功能的可塑性研究”“人类智力的神经基础”等课题，国家自然科学基金委启动了“视听觉信息的认知计算”“情感和记忆的神经环路基础”等重大研究计划。中科院2012年11月率先实施启动了“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项。

对大脑的解读是脑机接口技术得以发展的前提。何士刚认为，要想真正实现上述计划，尤其在认知高级功能领域，比如记忆、思维、想象、情绪情感等等，找到与脑电信号模式一一对应的关系，恐怕需要非常长的时间，对脑认知的研究还很难有时间表。

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