黑客帝国脑机接口（黑客帝国主脑）

本文目录一览：

• 1、硅谷钢铁侠发布脑机接口系统，黑客帝国里的场景是否即将成真？
• 2、什么是脑机接口，国内有人研究了吗？
• 3、我们为什么需要脑机接口？
• 4、脑机接口是黑客帝国的起点吗？
• 5、马斯克在猪身上实现“脑机对接”意味着人类可以上传意识吗？

硅谷钢铁侠发布脑机接口系统，黑客帝国里的场景是否即将成真？

我觉得是有可能实现的，但是肯定不是在这个脑机接口发布的今天。当初，“很渴帝国”这部电影大火好评，他给我们展示了一个全新的世界，

一个完全由科技支配的世界，当时在那个年代，这是非常振奋人心的，所以，在之后的发展中，人们也一直希望可以通过科技实现当初电影里面呈现出来的场景。事实也确实如此，如今科技发展迅速，人工智能、云计算等等热门词汇为我们所熟知，人工智能的技术也逐渐发展，AI人脸识别、语音识别已经法真到了一个稳定的水平，

人们在生活中也能随处可见，再不会有人对一个“会说话”的扫地机器感到奇怪。那么，硅谷“钢铁侠”马斯克所展示最新成果，是将一个小设备用激光束刺穿头骨，植入到大脑之中，从而帮助一个瘫痪在床的病人接收信息，形成一个专门的信息模块，是瘫痪的病人能够大致像平常人一样感知外界的事物，可以说这是一项重大成果的发布，

人们看到这项技术的成果之后，对未来的世界又有了更近一步的探知，但是如果真的要形成像黑客帝国那样的场景，我觉得首先技术上还达不到，其次是伦理道德上的不允许。我们知道，无论如今计算机有多么发达，他都离不开最基本的算法，那算法的需要得到不断的优化，这些工作只有人脑能去完成，所以不可能有朝一日，实现完完全全的人机同行。

什么是脑机接口，国内有人研究了吗？

从定义上说，脑机接口（Brain Machine Interface）就是研究如何用神经信号与外部机械直接交互的技术。就像开高达或者黑客帝国，属于传统意义上的黑科技。我从大学本科（07年）至今一直在这个领域。本文将从个人研究经历，领域现状（简略），以及一些常见或有趣的相关问题这三个方面简述一下脑机接口的研究进展。

第一部分：研究经历

1：浙江大学时期（07-11）。本科阶段我做的研究是在郑筱祥老师的求是高等研究院，当时是国内顶尖的脑机接口研究机构（之所以说“当时”，并不是表示现在不是顶级，只表示现在我不在国内，不够了解）。当时的研究方向主要有 a）大鼠压杆实验，脱胎于SUNY Downstate的John Chapin实验（Department of Physiology and Pharmacology），后来我到SUNY的时候他已经不招学生了，这是后话。这也是我本科阶段的研究内容，在解码器前面做了一个分类器，能显著提高解码精度。不过由于大鼠压杆实验本身太过简单（所要解码的信号只有压力值这个一维信号），不能很好的体现脑机接口的黑科技之处。b）大鼠携带背包电极，无线控制大鼠走迷宫。c）人脑EEG打字

2：卡耐基梅隆时期（12-14）。这个时期刚好是Pitts的 Andrew Schwartz搞大新闻的时候，四肢瘫痪病人通过植入式脑机接口控制机械手，也就是题图的出处（，Woman with Quadriplegia Feeds Herself Chocolate Using Mind Controlled Robot Arm，感谢评论的提醒）。我觉得这个实验很符合心想事成的定义。当时我的导师Steve Chase（很荣幸能成为他的学生）就是Schwartz的合作伙伴，不过因为自己是硕士的关系，所以并没有很参与到研究过程中，只是弄了一个Latent Extended Kalman Filter, 是用来处理运动过程中的隐变量，例如被试者的心情，动机或者是生理状态，它们影响神经活动，但跟我们想要的运动控制无关，我就改进了一个模型去滤它们，做了一点微小的贡献。（PS，匹兹堡真是个好地方，远远比纽约好）。

3：NYUSUNY时期（14-我也不知道啊能早点儿毕业就好了）。大多数我参与的工作还是未完成的，所以虽然一颗赛艇，但并不能透露。之前有个Duke的学长搞的黑科技倒是很好玩。他测了大鼠在被扎手指时初级感觉皮层的兴奋情况，然后通过刺激上级脑区，使得大鼠的初级感觉皮层产生相应的兴奋。换言之，通过神经刺激让大鼠认为自己在被扎手指。如果写到这里能够让读者联想起黑客帝国，就说明我清楚地表达了他的研究。

第二部分：领域现状

首先这只是一个非常简略的介绍。以我的能力（simple）和学术地位（naive）是远远轮不到我来写review的（笑），我还需要学习好几个，以下是正文。

脑机接口主要分为植入式和非植入式两大类。区别在与植入式的更精确，植入式电极相比于头皮贴片而言精确度高的多，可以编码更复杂的命令（比如三维运动）。非植入式的更安全，所以接受程度高很多，如果面向健康人类开发产品，这可能是唯一选择。非植入式脑机接口中比较有意思的一项技术是用脑电信号打字。（）没有市场化的原因很简单，13年的研究表明用脑电打字的平均速度是每个单词1.91分钟（没错，是分钟，我没有用错单位）。可能应用在中文上会好一些，毕竟汉字笔画相对于英文字母而言少很多。

植入式脑机接口中，各个脑区里研究比较多的有运动皮层，感觉皮层和视觉皮层。

运动皮层的研究结果相当多。植入式脑机接口在好几年前已经可以做到（以可接受的精确度）控制机械手的三维运动，手腕方向，手指握力。之所以进展很快的原因有很多，比较明显的是以下两点。第一，神经元对运动的编码相对简单，或者说，编码本身可能很复杂，但是我们可以用线性近似来获得足够好的结果，所以降低了研究员的智商阈值，毕竟不需要太高深的数学了嘛（笑）。更重要的一点是，运动有直接对应的可量化的输出（速度，位置等），所以我们能直接那这个输出与神经信号做对比，来确定二者的对应关系。反例是感觉皮层，我们只能研究神经元本身的发放变化，猴子本身是不会告诉我们它自己的感觉如何的，所以对应起来就很麻烦。所以通常情况下我们假设如果外部刺激一致，感觉就是一致的，这也是上文我的学长搞的黑科技时用到的假设。

视觉皮层的研究也很热门。但最广为人知应该是其相关产物（感谢评论的指正，副产物这个词确实不合适）：卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN），毕竟经过Alpha Go的大新闻，东亚地区对这个名词有很高的认知度。我不是该领域的专家，只是跟Tai sing Lee（Dr.. Tai Sing Lee's Homepage）上过一年的课，所以只是有模糊的认识。只能说一个让我印象深刻的个例。有一天Taising很兴奋地跟我们说他开会发现了一个大新闻，给我们看了一段视频，内容是医生用微弱电流直接刺激病人的视觉皮层（据Harold Yue提醒，是面部识别区）。没错，我们当时都惊诧了，没想到真的有人愿意这么干。

视频内容：医生一边调电流一边问病人：“你感觉怎么样，看到的东西有没有什么不一样了？”病人没有什么明显不适，很清楚的说：“感觉你有了一点变化，好像不是Dr.某某了，感觉领带歪了一点还是怎么样，说不上来，（以下是我感觉最科幻的部分），like The Terminator。”

至于困扰脑机接口研究小组的问题。由于是一个交叉学科，很多单一学科的进展都是令我们期待的，比如更精确的电极，更明晰的神经科学认识，更强大的机器学习算法，更生物友好的材料等等。其中一个跟科学不那么有关的在于：愿意参与植入性实验的human subjects（求问这个词应该怎么翻译才能不被人骂）太少。所以，假如生活欺骗了你，先别着急自我毁灭，请考虑一下献身科学的可能性（笑）。

第三部分：相关问题

Q：想以后涉及脑机接口，需要哪方面的知识？

A：既然本身是一个交叉学科，那么需要的能力也是来自于各个方面，学生的背景材料学，医学，生物学，计算机，电气工程，物理等等都有。比较明显的区分在于实验室中既有MD＋Ph.D,还有我这种纯粹的Ph.D。

前者负责大部分动物实验以及各种我搞不定的部分，这部分要求的技能我并不清楚，很难给出有效建议；后者（我）负责数据处理模型设计等，这部分要求的核心内容就是：你的机器学习理论水平，以及把你的机器学习算法实现出来的能力。前者在本科阶段最好的锻炼方式之一就是参加数学建模竞赛（当然这跟我本人的经历有关，我上大学时浙大还没有机器学习这门课）。后者基本上就是coding的能力，建议如果是初学者，从matlab入手是一个很好的选择，但是胆子大了之后一定要去试一试其他语言，比如python。毕竟所谓脑机接口，“脑”的部分，即如何把神经冲动翻译成有价值的命令，多数是用matlab完成的，但是“机”的部分，即如何用这些命令控制机械，这里要用到的语言就五花八门了，没必要之前就一一掌握，但是要不害怕去学。多说一句，如果是在国内读的本科，很有可能因为国内工科一开始就要学C并且C的教材过于反智等原因，从而对整个coding产生反感。解决方式如前所述，请从matlab入手，并牢记《银河系漫游指南》封面上大而友善的四个字“不要恐慌”。

Q：脑机接口能不能提高智商？

A：有可能，但是只有少数文章证明，还不具备很强的说服力，在去年有一篇review中也提到这种提高在统计意义上不显著。所以现在的观点是：为了少量提高智商，而在头上开个洞埋上电极并不是那么有必要。还有一点是对于智商本身的检验方法也存在很多争论，现在能被少数文章证明的只是可以提高短时记忆力（因为这个最容易测量）。

Q：快来拿我做实验吧怎么样都行

A：请吃顿好的，然后私信联系。这是玩笑，实验的安全性是可以保证的，毕竟现在植入式的人类实验也已经开展了好几年，虽然多数是在瘫痪病人身上，控制的效果如前所述，用机械手完成简单的移动，抓握动作完全没有问题，但是太精细的的动作做不到，比如用机械手指剥香蕉撕包装袋之类的。并不是说我们不能解码复杂动作，而是这种动作本身对于只有视觉反馈的人而言太困难，可以想象一下如果人没有触觉，仅凭视觉去剥香蕉拧开饮料瓶是有多难。市场化的主要障碍主要是是机械手的价格过于贵，无法被医保覆盖。这是我导师的观点，毕竟实验室的机械手是从NASA批发的，五十万美元一个，对于普通病人确实过于贵（我还很荣幸的把它弄坏并重新修复过一次）。

Q：弄坏了50万美元的仪器是一种什么体验？

A：这个问题跟脑机接口本身的相关性比较弱，但也是研究过程中比较有意思的回忆。先说结论：感觉好棒好棒的，现在已经有信心去弄坏百万美元级别的仪器了。具体过程是这样的。某日，我正在用ROS（Robot Operating System）调式机械手。忽然砰地一声脆响，好像飞出了什么东西，机械手弯到了一个非常诡异的角度，停住不动。比较幸运的是当时猴子并没有在现场做实验，否则机械手的惨状可能会对大圣造成不可磨灭的心理阴影。我把机械手复位之后发现有半截钢缆（cable）松脱并暴露在外（没错，飞出的是另外半截钢缆）。

我们为什么需要脑机接口？

通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界，只需一个意念我们就能改变“现实”。学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，也不需要再花费大量时间，只需直接将知识传输到大脑当中即可。

以上就是1999年的经典科幻电影《黑客帝国》为我们描绘的科幻画面。而这看起来天马行空的幻想，却是基于早已有之的“脑机接口”技术的的合理设想。或许，科技的加持终将让科幻走向现实。

目前的“脑机接口”主要分为植入式和非植入式两大类，植入式和非植入式两种方式都各有优劣。植入式更精确，可以编码更复杂的命令，比如三维运动，但手术创伤不可避免；非植入式电极这种头皮贴片虽然方便，无需开颅植入，但是能探测到的脑电信号范围和精确度有限。

“脑机接口”作为前沿科技研究的热点技术，一直颇受业界关注。SpaceX及特斯拉创始人马斯克更是于2017年成立脑机接口公司Neuralink。2019年中旬，马斯克和他的Neuralink团队展示了他们“新颖”的向大脑植入电极的方式，并宣布他们将要进一步开发脑机接口的计划。可以说，脑机接口不断在科技界掀起轩然大波。那么，从《黑客帝国》开始，我们离脑机接口实用化还有多远？

脑机接口是怎么出现的？

要知道，脑机接口本质上是一种全新的信息沟通与交互界面，而要理解信息沟通的本质，那就需要理解我们的语言。

语言是人类大脑高级认知活动的产物，正如纽约大学心理学和神经科学教授大卫·珀佩尔在《科学》杂志子刊《科学进展》（Science Advances)的论文中所说“语言就是声波如何把信息塞入你的脑子里”。

当我们听人讲话的时候，耳朵将声波转化为神经信号。这些信号会被不同的脑区处理和翻译，最先处理的脑区是听觉皮层。多年的神经生理学研究结果显示，听觉皮层的脑电波会对应声波的强弱变化的频率，将听觉信号分节并锁定。基本上就是说，脑电波像冲浪者般在声波里起伏，大脑很可能是通过声波的强弱变化来区分音节，辨识语义，从而将长串的语言信息分节装载，转化为便于处理的小块信息。

然而，人类语言并不是一蹴而就，而是经历了漫长的演化。从神经肽、神经元到神经网；从神经节，到几个神经节融合在一起形成脑，最终形成原始大脑。从掌管身体器官并且精细分工的爬行脑出现，到能够处理爱、愤怒和恐惧等复杂情感的边缘系统的出现，再到能够理性思考的新皮层的出现。可以说，神经系统经历了从无到有，从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。

人类大脑新皮层擅长思考，尤其擅长抽象思考，并能对事物的本质属性进行归纳和演绎。就在大约10万年前，人类掌握了一项突破性的工具，就是能够用一种特定的抽象声音来指代某个具体事物。

比如“石头”这个词的发音并不是石头本身，而是通过发音来指代石头这个物体的代表符号。就这样，原始的语言诞生了。很快，世界上各种各样的事物都有了相应名称。到了公元前5万年，人类已经能够完整使用复杂的语言进行交流。从此，语言不仅能把人类大脑中各种奇妙的想法转换成一系列的声音符号，而且通过空气振动将它们传递到其他人的大脑中，并能让他人理解。

人类语言的出现，不仅给世界上万事万物都打上了符号标签，还产生了一个极其重要的功能，就是让人们能够学习自己没有亲身经历过的事情，并以此形成间接经验。由此，人类种族的生存能力大大提升。

正因为语言的学习，使得经验与智慧一代代传承，不断累积到部落的知识库中，而后代则可以在祖先的智慧上继续探索。就这样，语言赋予部落强大的集体智慧，同时每个人也能从集体智慧中获益。随着知识的不断积累，生产力不断提升，劳动生产率逐步提高，人类进入城市时代。

随着人类文明的演化，科技也在历史中不断更新，大量的知识储备为人类工业革命创造了条件。如今，我们已经进入信息技术高速发展的时代，而人工智能技术的不断突破使人类发现自己在学习能力方面越来越不及人工智能，无法从海量的知识中快速获取知识。

而这种缺陷正是曾经为人类文明作出杰出贡献的语言所造成的。这是因为人类的语言天生就有两方面缺陷：一是精度低；二是效率低。

从语言的精度角度来说，无论人类的哪一种语言，其精度都是相当低的。语言的社会性和模糊性导致了人和人之间沟通的低准确性，人们因此会耗费大量的时间在沟通上。在人与人的沟通过程中，信息被大量损耗。从语言的效率角度看，我们无法像计算机一样快速地将客观信息输入大脑，而在靠语言和文字所进行传播的时候，速度确实非常慢。

而当我们进入一个全新的数字时代时，人类的弱点和局限性就开始被放大了。时代车轮滚滚向前，历史发展的内在需求推动着技术的进步与发展，终于迎来了脑机接口的登场。

脑机接口的发展协同脑科学的进步

想要了解脑机接口的基础，首先要明确几个相关的概念。

脑机接口（Brain-computer Interface或者Brain-machine Interface）：通过传感器提取头皮上、大脑皮层上电场或磁场等信号、参数，进而进行数据提取、分类和分析，最终控制体外设备对人体周边环境进行增强或改善的人机交互装置。

中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）：由大脑和脊髓组成，是人体运动的命令源也是脑机-接口主要分析目标。

脑电波（Electroencephalogram, EEG）：与大脑皮层神经元活跃度密切相关，大部分学者认为其主要组成部分是神经元突触后电位。脑电波是脑-机接口的主要信号来源之一。

分形维数（Fractal Dimension, FD）：来源于分形理论，可以用于分析数据的复杂性。是现代科学用于分析混沌动力学系统和非线性信号的工具之一。

人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）：一种基于大规模计算训练从而多层次地提取目标特征值的数学模型。ANN常被应用于数据分析。

脑机接口的发展和脑科学的进步密切相关。大脑属于中枢神经系统，其包含了大约870亿个神经元。大脑时时刻刻接受来自视神经、听觉神经以及周围神经系统（Peripheral Nervous System）传送过来的信号。大脑将这些信号进行解析，并产生感觉，进而对外在环境做出反应形成运动信号。运动信号再通过脊髓传达到周围神经系统，进而控制肌肉控制人的身体，做出复杂（高级）运动行为（比如弹钢琴，弹吉他等）。

脑机接口是黑客帝国的起点吗？

从脑机接口技术本身来说，它还是一个非常漫长和非常艰辛的过程，想要达到黑客帝国的状态其实还需要一段时间。

作为国内领先的非侵入式脑机接口技术领域公司BrainCo强脑科技创始人韩璧丞曾说，“脑机接口其实是一个非常底层的技术，很多人说脑机接口是人工智能的下一代技术，因为人工智能核心是让计算机有像人一样看得懂和听得懂的能力，但是脑机接口可以让人类本身变得更强。”

马斯克在猪身上实现“脑机对接”意味着人类可以上传意识吗？

包含《黑客帝国》在内的许多科幻电影都描述过类似的情节，人的大脑中被植入电脑芯片，从而实现与虚拟世界的连接！也许在很多人看来，这非常不可思议，然而在“科学狂人”马斯克面前，这样的“脑机对接”很有可能变成现实！

有科学家声称，人的左右两片大脑中间天然存在着一个类似“USB接口”一样的东西，这很有可能是上帝在创造人类的时候预留的与电脑之间连接的接口！而人类可以靠着在大脑中植入电脑芯片的方法实现与虚拟世界的无缝连接。

脑机互联

当然，在相当长的一段时间内，这种疯狂的想法被认为是无稽之谈，人脑与电脑怎么可能实现连接呢？然而就在昨天，脑机接口公司（Neuralink）的创始人马斯克却带给人们一个无比震撼的消息！

说起马斯克，想必他的大名许多人都知道，作为著名的“科学狂人”，无论是特斯拉还是SpaceX龙飞船都是他一手缔造的！这样的一位人物居然在昨天直播的过程中展示了一头猪，这是怎么回事呢？

马斯克

原来，这头猪并不是普通的小猪，他是Neuralink公司最新研究成果的体现！因为在这头猪的大脑中被科学家们植入了一枚直径位23mm，厚度位8mm的电脑芯片！这枚芯片在不会对大脑造成永久伤害的前提下被植入了小猪的大脑中。

植入“电脑芯片”的小猪

根据马斯克的介绍，虽然这个芯片非常小，但是其内部却存在着多达1024条连接线路，通过这些线路，芯片可以读取大脑的相关活动，然后通过对应的设备呈现出来！

而这枚芯片的存在，可以有效解决记忆力减退、中风等一系列的神经系统问题。

马斯克在直播中还向人们展示了这枚芯片的具体使用方法，当这只小猪的鼻子碰到了旁边物体之后，通过与之相连的手机，可以清晰地听到有相应的噪音通过手机传了出来，通过这种方式，让这头猪的“感受”呈现在人们面前！

小猪的“感觉”在手机中显示

马斯克还表示，这个芯片可以通过他们最新研究的Neuralink机器人进行植入，整个植入过程仅需1个小时就能完成，并且还不需要全身麻醉。芯片可以通过无线控制和感应充电技术实现控制和续航！

毫无疑问，这枚芯片的成功植入具有划时代的意义！

我们知道，人的大脑非常神奇，单单是大脑拥有的存储量，就比全世界所有电脑加起来还要多！而且部分科学家认为，人类大脑中天然存在着与电脑连接的接口，如果能够实现两者的互联，将极大提高人脑的利用率。

在许多科幻小说或者电影中都有过类似的场景，人类通过在大脑中植入特殊的芯片，能够与电脑进行无缝连接，从而让我们的意识直接进入到电脑所呈现的虚拟世界中，去体会一个个震撼无比的虚幻世界！

意识进入电脑构建的虚幻世界

不仅如此，电脑芯片也在医学领域有着非常可观的应用前景。我们可以想象，通过植入电脑芯片，未来不仅可以解决人类视力、听力、瘫痪等问题！甚至还能够让人与智能设备互联，甚至可以通过心灵感应来召唤出一台车。