当冷天你感到口渴，眼前立刻出现一杯热饮；当你从室外回来想要上网，电脑立刻自动启动；当你想呼吸窗外的新鲜空气，窗子立刻打开……这一切不用你命令，不用你操控，只要用意念就能实现。这很像科幻片的场景，但这可能就是未来的智能时代。科学研究领域的“脑电感应"如何实现?人类真能实现科幻世界中描述的“心灵控制"吗?这种近乎神话的科学研究将给我们带来什么呢?
在电影史上预算金额最高的科幻电影《阿凡达》中，著名导演詹姆斯·卡梅隆运用逼真的3D特效把观众带入了另一个世界。
影片中，为了试图与那美人交流，地球上的资源开发管理总署，启动了“阿凡达”计划来创造半人、半那美混血的生物来担任大使。依靠复杂的接口设备，一个人可以通过“心灵感应”来控制“阿凡达”身体。让他可以像那美人一样游历“潘多拉”。在孪生兄弟去世后，主人公杰克·萨利被召进了这项计划。曾经的一场战争导致杰克半身瘫痪。现在通过他的“阿凡达”，杰克可以再次起身行走。
从《终结者》到《异形》，再到创造票房神话的《阿凡达》，为美国国家航空航天局火星探索计划摄像机研究担任顾问的詹姆斯·卡梅隆，总是认真地将科学事物带入自己的作品中。阿凡达中的这一神话般的“心灵感应”控制技术，和各式各样的接口技术，究竟是卡梅隆的凭空想象，还是有感而发呢?
中科院深圳先进技术研究院院长樊建平说，大家看到的那个机器战士阿凡达，是用神经控制的。
一、神经假肢
小张是一位普通的南方小伙，乍看上去，他和同龄的年轻人没有区别，年轻、时尚、充满活力，可实际上，看似轻松的小张却遭受了重大的打击。
在一次意外事故中，小张失去了右手。
小张是个乐观的男孩，巨大的打击并没有让他丧失生活的信心，在当地残联的帮助下，小张安装了假肢。(图1)
只能起到美观作用的假肢，对于小张来说仅仅是聊胜于无，他想要更轻便、更灵活、更像自己原来右手的一只假手。小张明白，这些想法只能在科幻片中出现。直到他遇到了中科院深圳先进科技研究院研究员李光林。
李光林长期从事多功能肌电人工假肢的研究工作，他与小张的相遇并不是偶然，小张是他找来为国产第一具神经控制假肢做实验的志愿者。
一个装在模特身上的假肢随着李光林发出的展开、闭合、握拳的口令，可以灵活地活动，看似这一系列的动作都来自李教授的控制，然而真正控制着假肢的却是在旁边一语不发的小张。小张是如何实现对假肢的控制，以至于让它能够像正常人一样，随着李教授的口令，准确无误完成动作的呢?(图2)
人类之所以能够灵活地控制自己的肢体，是因为当我们想要去做某一个动作时，大脑会产生神经信号，这个神经信号通过我们的神经网络，传输到肢体肌肉上，刺激肌肉收缩，肌肉随着收缩产生力，因此，我们可以做出各种不同的动作。
李光林说，残疾人可以通过想象，来控制他的患肢做不同的动作，比如手的张开、握拳等这些动作完全可以做。(图3)
当小张想象张开手时，他的大脑仍然能够产生神经电信号，这个信号仍然能够从他大脑传输到外周神经。这时，神经电信号可以刺激他残留的肌肉进行收缩，从而产生肌肉电信号，这些电信号被小张手臂上的采集装置采集到电脑中，继而转化为控制命令，实现对假肢的控制。
这是李光林他们称之为“基于肌肉电信号模式识别”的一种新的控制模式。
对于小张来说，这个新技术的出现，会给他的生活质量带来很大的提高。然而，对于李光林和他的小组来说，这个技术只能算作他们研究中的一部分。
李光林说，比如一位肘部以下前臂截肢者，他剩余的肌肉除了二头肌三头肌之外，前臂还有好多肌肉，这时所需要恢复的动作只有手部的动作和腕部的动作。对于肘部以上截肢者，剩下的只有部分二头肌和三头肌，但这时我们所需要恢复的动作，除了手、腕以外，还有肘部的动作，就是说我们能用于假肢控制的信号源越少，所需要恢复的动作越多。
剩余的肌肉越少，需要恢复的动作越多，这显然是一个不可调和的矛盾。对于那些整臂截肢的人来说，这样的新技术是否也能给他们的生活带来变化呢?
4年前，电工技师杰森·沙利班先生在工作时，不慎触到7千伏特的高压线失去了双臂。
李光林说，我们提出了一种新的神经机器接口技术，叫作“目标肌肉神经分布重建技术”。他的胸部肌肉已失去了功能，我们可以利用他的胸部肌肉重建他因截肢失去的手和手臂的一些肌肉信号源。我们在他的左臂通过手术建立了一个神经机器接口。现在，他完全能够靠他的想象或是意念控制假肢完成不同的动作。
装在胸口的部分是肌电接收装置，机械臂本身并没有操作按钮，科学家将杰森肩部残留的神经转接到胸部肌肉上，当大脑发出传达运动指令的电讯号时，胸部肌肉就能接收到这一讯号，肌肉便会动作。机械臂内的电脑读取肌肉发出的电讯号，按大脑指示做动作。沙利班先生就能自由自在地运作机械臂，就像以前运动自己的手臂一样。
李光林说，残疾人可以控制假肢，健全人更可以，在我身上放几个电极，我在这边做什么动作，机器人就在那边跟着我做什么动作。
在影片《阿凡达》中，潘多拉丛林里的打斗和行进，人类都是在一个被称为放大机动平台的装甲中进行的。设备的外部肢体随着驾驶室中操作者操作武器和脚的动作做相应的变化。这简直就是李光林教授研究内容的未来版。
神经假肢的成功研制，得益于人类读取人脑电讯号的技术能力有了飞跃进步。实际上，从遍布全身不计其数的大脑神经，把电讯号经过神经反向传输给大脑，来增强身体技能的技术也已获得成功。二耳蜗移植
可爱的小男孩西路在一岁左右时，一场突如其来的灾难让他失去了听力。
通常声音进入耳朵时会传到一个螺旋状的器官——耳蜗，耳蜗的构造小到肉眼看不到，在电子显微镜下，突出的有毛细胞体排得像管风琴。我们挑出一个有毛细胞看它对音乐有何反应，发现在音乐声中它产生震动。(图4)
震动由神经传到脑部，经脑部理解为声音。但西路的耳朵不是如此，在他的世界里，他看得见画面，却听不到声音，听神经传到他脑部没有问题，但他的耳蜗有损伤。为了解决这个问题，医生决定为西路进行人工耳蜗的移植。
北京同仁医院院长韩德民说，人工耳蜗分两部分，一部分是体内电极部分，在头骨上钻个孔，把电极放到头骨里面去，外面还有一个语言接受处理器，把语言经过处理变成电信号，然后这个电信号和植入体内的线圈发生感应。用这样一个语言处理成电信号的形式来刺激尚有听功能和听刺激的神经末梢，产生听觉。
手术非常成功，经过一段时间的术后恢复和训练之后，西路的听力已慢慢开始恢复。(图5)
人工耳蜗埋在大脑内部，声音由电脑转换为电讯号，直接流入听觉神经，传到大脑，这就是人工耳蜗。声音通过人工耳的20多个被称为电极的接点与神经连接在一起。起相同作用的人耳中的细胞共有15000个，而人
工耳蜗的电极只有20多个。之所以依然能听见声音，据认为是由于大脑发生了变化，掌握了新机能，能弥补不足的讯息。
我们已经可以治疗特定的耳聋，大家认为我们还会有更多生物工程学的方法来修复身体。科学家想用治疗耳朵的方式，以电子芯片来治疗眼睛，他们要把一个视觉假体放进眼球。
多亏眼睛后方的视网膜有一亿个感应光的细胞，我们才有视觉，视神经末梢将讯号从视网膜传到脑部。
如果用数码相机做类比，人眼的角膜和晶状体就相当于镜头，眼球后方的视网膜是感光器件，视神经等同于连接感光器件和存储卡之间的线路，而大脑后部的视觉皮层则是存储卡和后期处理软件。色素性视网膜炎或老年性黄斑变性这样的疾病会让视网膜失去功能，让这部相机无法感知任何图像。
科学家想用电子芯片取代受损的细胞，相较于人类的视网膜，这些芯片还很粗糙。
人类的视觉系统要比耳蜗复杂得多。我们所获取的信息中，大约80％来自于视觉。人们至今也无法制造出性能堪比人眼的照相机，而感光细胞和视神经之间的精确对应关系也还是个谜。再考虑到技术的限制一人工视网膜芯片的大小一般只有数平方毫米，厚度只有不到100微米。想获得如人眼般精确的视觉，是相当困难的事情。
现在这项技术还在初步阶段，如果试验成功，人造视觉假体的有效像素可能增加到100、200、400、500、700甚至到1000。
三、解读思维
实际上，神经假肢、人工耳蜗、视觉假体，不管是间接还是直接，都是基于电脑和人脑之间的交流与互动，属于脑机接口技术的范畴，但远远不是脑机接口的全部。脑机接口技术并不止于此，它有着更为强大的力量，这种力量吸引着越来越多的人。在未来，它也许会带给人们更多意想不到的惊喜。
斯蒂芬·霍金瘫坐在轮椅上，脸上挂着他那著名的神秘微笑。在许多人第一次读他的《时间简史》时，他还有3根手指能够活动，但几年后，人们再买到精装本《果壳中的宇宙》时，他只能靠一只手指，将脑中奔流不休的思绪缓缓敲在小键盘上。直至某一天，这位在人迹罕至的理论物理学界成就盛名的老人，只能将他深邃的思考永远禁锢在一具瘫软无力的肉体当中。(图6)
除非我们能从这颗天才的头颅中，将无形的思考转换成一个更加清晰的世界。幸运的是，随着脑机接口的发展，这并非绝不可能。
王甲曾是一个有才华的男孩，大学毕业后被北京一家国企破格录用，王甲人生的精彩刚刚展开，现实却让这一切成为泡影。2007年，王甲患上肌萎缩性脊髓侧索硬化症，成为和霍金一样的渐冻人。(图7)
据说得这种疾病的人，将清楚地目睹自己生命枯萎的全过程。从2007年到现在，王甲病情恶化得非常快，目前，他只剩下一根手指可以活动。
让人感动的是，面临死亡的王甲并没有放弃对生命的坚持，他说，一个人活着，应该做些什么。他希望通过博客支撑他的设计生涯，延伸他的思维。
计算机成了王甲与外界沟通的唯一工具，王甲用的软件，是清华大学医学院生物医学工程系的几位教授带着学生专门为他设计的。王甲用他唯一一根可以活动的手指，继续完成他的设计。(图8)
清华大学医学院生物医学工程系高小榕教授说，脑机接口无疑是一个可行的方案，对于癫痫患者、渐冻人，都可以通过脑机接口帮助他们。
一个头带奇怪装置的人坐在电脑前，如同有特异功能一般，屏幕上闪烁不止的键盘，似乎在随着他的意念输入字符。为了证实这一幕的神奇，记者在纸上写了一个成语，放在他的面前。成语以拼音的方式被准确输入电脑。其间，这个人身体的任何一个部位都没有接触到计算机，除了头戴奇怪的装置，全神贯注地盯着屏幕以外，没有任何动作。他究竟是如何把这些字符输入到电脑中去的呢?
高小榕说，我们开发的稳态视觉诱发电位脑机接口，进行了这种解读和控制。
稳态视觉诱发电位是清华大学医学院神经工程研究所的研究小组开发出来的一套脑机接口的范式。这项研究的最初想法，是帮助那些丧失了运动能力，但大脑功能正常的残疾人，让他们通过这样的系统，用自己的思维直接操控轮椅、假肢，甚至计算机。
清华大学医学院神经工程系高尚凯教授说，脑机接口实际上就是把大脑活动的信息直接解读出来，把它转换成一种控制命令，这个命令可以去控制各式各样的外部设备，可以控制机器人，也可以控制假肢。(图9)
这种脑机接口技术，就是人可以通过一套先进的系统设备，利用自己的思维，对物体进行操控。而这套先进设备的原理，就是通过实时记录的人脑的脑电波，在一定程度上解读人的思维，并用电脑将脑电波信号翻译成控制命令，实现对计算机、家用电器、机器人等设备的控制，用思维就可以代替肢体对物体进行操控。这项看似天方夜谭的技术，在科学家的手里，已经逐渐变成了现实。
四、再创神奇
其实，解读人类思维的奥秘，是世界上所有科学家的共同课题。脑机接口这项先进技术，不仅我们国家在研究，世界上很多国家也都在研究。
一只猴子并没有亲自动手，却自如地操控着机械臂喂自己吃香蕉。这是美国科学家做的一项关于脑机接口最直观的实验。这支机械臂的工作原理，与李光林教授基于肌电信号的神经控制假肢脑机接口技术有着很大的区别，这种技术的信号控制源并不是肌肉电信号，而是脑部电信号。这种电信号是通过植入在猴子大脑中的电极传输出来的，所以，又被称为“侵入式脑机接口”。(图10-1-2)
清华大学医学院神经工程系洪波副教授说，人类大脑约有一千多亿个神经细胞。神经细胞在颅骨下面。如果你想听到这些神经细胞怎么放电，就必须打开颅骨，把电极放进去，靠近这些神经细胞周围，才能知道我们大脑现在究竟在想什么。这是所谓全侵入式。
高尚凯教授认为，这涉及到一个很关键的技术：电极。电极植入后，一定不能对大脑造成任何伤害，否则好事没做成，反而把大脑弄坏了。
也就是说，人在使用这套有创脑机接口系统时，身体很有可能会受到伤害。从现在成功植入的案例来看，这些植入大脑的电极，都会因为人体强大的自我修复能力，在运作一段时间后失去作用。
洪波说，把电极植入大脑后，神经细胞和它周围支持营养的神经胶质细胞，会马上包裹过来，时间长了这些细胞就把电极完全包裹住了，就什么信号也记录不到了。一般会在一两个月，长的在3个月左右就会发生这种现象。
这种现阶段无法突破的技术难题迫使科学家另辟蹊径。清华大学的研究小组在1999年开始接触脑机接口技术时，就把目光瞄准了非侵入式的脑机接口。但是与侵入式脑机接口比，非侵入式脑机接口也有一个必须正视的问题。(图11)
在美国基于脑机接口技术开发的一款新游戏中，游戏者只要带上一个类似耳机的装置，然后集中注意力看着小球，小球就会自己悬浮起来。在游戏体验过程中，一旦出现外界因素的干扰，这个悬停在半空中的小球就会掉下来。(图12)
这是一款游戏，难以精准控制的小球增强了游戏的
可玩性。可是，如果我们使用脑机接口控制的不是这个小球，而是其他体外装置，这一缺陷将会给使用者带来极大的不便。
高尚凯说，大脑毕竟是在脑壳里头，电极在脑壳外头，隔着大脑脑肌腱、头颅骨、头皮，信号的质量，专业术语叫信噪比，要受很大的影响。
人的大脑皮层约有1千亿个神经细胞。大脑时刻都在接受着来自外界和自身的刺激，这些刺激使得大脑皮层中一些区域的细胞活动增强，形成几十毫伏的放电脉冲，但这些电脉冲传到头皮表面就只有几十微伏大小，非常微弱，并且这样得到的脑电是很多细胞活动的总和。科学家利用微弱信号放大装置探测神经细胞的活动是相当困难的，就像在一个庞大的体育场外试图只靠听觉判断出体育场内每个人的活动。
高小榕说，脑电信号跟心电信号有一个本质的区别，就是肉眼看上去不像心电那么有规律，如果给这些刺激加一些有特征的规律，我们就能在这个很乱的信号里，找到这些具有特征标记的信号出来，就可以来分析。
在实验的初级阶段，要通过一个数字视觉刺激器来帮助测试者。而这个数字视觉刺激器的作用，是用来刺激使用者的视觉神经，从而增强人的脑电波信号。(图13)
高小榕说，刺激分不同的属性，有频率的属性、有出现时刻的属性，还有一些编码的属性，我们构建不同的脑机接口，适用于不同的病人状态。
许多有电子游戏经验的人都有这样的体验：我们通过游戏机控制手柄上的几个键，不费吹灰之力就可以控制游戏中的各种人物、车辆来完成各种不同的任务。
清华大学研发的稳态视觉诱发电位的系统中，那个数字视觉刺激器，就相当于一个游戏控制器，上面几个发光点就相当于按键，在不同的软件和硬件的支持下，我们可以通过脑电波来控制各种各样的设备。
高小榕说，脑机接口因为是一种通讯工具，也需要有一些评价的指标，脑机接口的速率跟现在通讯的速率没法相比。它的单位是每分钟几十个比特。但是即使这几十个比特，对残疾人来说也是很有用的。我们开发的视觉诱发电位的脑机接口，具有传输速率快的特点，它还有一个好处，就是比较稳定，不容易疲劳。
通过各种各样的演示我们发现，一旦使用脑机接口技术，像霍金、王甲这样的渐冻人将会极大地改善自己的生活，他们可以通过计算机合成语音跟人们交流；可以通过遥控软什控制家中的家居环境和各种电器；可以控制行动自如的轮椅和汽车。在将来的某一天，他们也许还可以通过控制机械外骨骼，让自己重新获得灵活行动的能力。
高小榕说，脑机接口是在人的生物脑和机器之间建立的一个通道，我们通过这个通道，既可以增强生物脑的功能，也可以增强机器的功能。实际终极目标就是一个，我们叫生物机器的智能混合体。
洪波认为，这是一个没有止境的探索过程，对于大脑的研究就像对宇宙的起源和边界的探索一样，很难达到最终那一刻。像阿凡达里描述的那样，把一个人的思量提高，能够生活得更有尊严，更有幸福感；对于正常
脑机接口技术展现出的无限前景，让众多的科学家为之痴迷，越来越多的团队参加到这个刚刚兴起十多年的学科中。
科学家们正在一步步把曾经的科幻故事转化为现实。2010年由国家自然科学基金委员会主办，清华大学承办的国家自然科学基金委员会重大研究计划“首届中在本领域开展研究的主要单位清华大学、国防科技大学比赛将推动我国脑机接口技术研究走向实用化。
