“读心术”已成真？脑机接口如何助力人类走向“超人类”？

“读心术”已成真了吗？脑机接口是什么？如何助力人类走向“超人类”？脑波音乐在未来如何？

在经历了多年临床试验申请后，美国食品药品监督管理局（FDA）终于于今年五月批准了Neuralink的器械临床试验申请（investigational device exemption，IDE），即将开展的名为PRIME的临床研究。此次研究旨在评估Neuralink全植入式无线脑机接口植入物与手术机器人的安全性，并评估脑机接口的性能表现，以帮助瘫痪患者通过大脑控制外部设备。

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图源：每经网

那么什么是脑机接口？其存在哪些技术难点和发展方向？又有哪些应用呢？

什么是脑机接口？

顾名思义，脑机接口是用于连接大脑与外部设备的一套系统，它通过将脑信号转换为控制指令，操控外部设备行使功能。这一概念的提出发生于科学家对大脑工作原理的理解过程中：

什么是脑机接口？

顾名思义，脑机接口是用于连接大脑与外部设备的一套系统，它通过将脑信号转换为控制指令，操控外部设备行使功能。这一概念的提出发生于科学家对大脑工作原理的理解过程中：

1780年

意大利解剖学家Galvani首次发现了生物电现象；

1875年

英国生理学家Richard Caton在兔子和猴子的脑组织表面记录到了电信号；

1924年

德国医生H.Berger发明了脑电图；

1969年

德裔美籍神经学家E. Fetz实现了利用单神经元的信号控制仪表，这可以说是最早的脑机接口雏形；

1973年

美国计算机科学家J. Vidal首次提出脑机接口的概念。

我们可以从多种角度对脑机接口进行分类。

基于信号采集过程是否需要进行手术可以分为侵入式（invasive）和非侵入式（noninvasive）脑机接口。

诸如Blackrock的Utah阵列电极和Neuralink的Thread都需要进行开颅手术，将电极植入到大脑皮层中采集神经元的动作电位，因此称为侵入式。

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脑机接口如何助力人类走向“超人类”？

Utah阵列电极 & Thread电极｜图源：Neuralink官网

而通过脑电帽、近红外头带和功能性核磁共振这些无创方式采集信号便称为非侵入式。

“读心术”已成真了吗？脑机接口是什么？如何助力人类走向“超人类”？脑波音乐在未来如何？多模态融合干预

脑机接口如何助力人类走向“超人类”？

脑电帽｜图源：neuracle

信号采集手段决定了信号类型。

侵入式通常采集尖峰电位（spike）和场电位（LFP）信号；非侵入一般采集头皮脑电（EEG）信号；皮层脑电（ECoG）信号则介于两者之间。

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常见脑机接口信号采集手段与类型｜图源：参考文献1

侵入式和非侵入式所采集到的信号质量差异就像是，在演唱会的第一排和场馆之外的差距，前者有着巨大的时空分辨率优势。

基于脑机接口功能可以分为运动、感觉和认知三个类型，例如助力瘫痪病人恢复上下肢运动，针对失明失聪者的感觉恢复，以及检测注意力和情感的脑机接口。

基于信号产生诱因分为内源性和外源性两种。内源性信号是由被试自发产生的，比如运动想象（motor imagine）；外源性信号是指由外部刺激诱发的脑信，比如当我们看到固定频闪的图像时，大脑视觉皮层也会产生相应频率的振荡信号，这种信号依赖于外部频闪的激发，因此称为外源性信号。

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稳态视觉诱发电位是一种常见的外源性脑机接口｜图源：腾讯云

此外，基于大脑与机器间的信息流向还可以分为单向和双向脑机接口。单向脑机接口仅实现从大脑解码到外设控制的单向信息传递，而双向或反向脑机接口还会通过电刺激将外部设备感受到的信号反馈给大脑，因此也称之为写入式脑机接口。

大多数脑机接口系统都可以归纳为信号采集、信号解码和外设控制三个部分，而其中最关键的就是解码部分。解码的基础是神经元的选择性（selectivity）。

想象大脑中有一个神经元很喜欢苹果而讨厌香蕉，当我们看到苹果时它会卖力的高喊“我要！我要！”，看到香蕉时则沉默不语，我们可以很简单的通过它的神经元活动强弱实现苹果与香蕉的二分类判别解码。

这就是对脑机接口原理的简单描述，事实上早在1986年，Georgopoulos实验室就已经基于猕猴运动皮层神经元的方向偏好性实现了对猕猴手动的解码[2]。

脑机接口难在哪里？

可能有人会疑惑，既然脑机接口的解码原理如此简单，目前又已经实现了通过脑机接口控制电脑、机械臂、轮椅、打字等等这些功能，为什么马斯克的临床试验如此备受关注？为什么脑机接口还没有走进寻常生活？

目前脑机接口所取得的成果基本都是在实验室环境中，在特定场景和任务下，在个别患者上的结果。无论从安全性、准确性、易用性、通用性和成本等诸多角度，距离称为商品还非常遥远。

比如，侵入式电极会引起大脑内炎症反应，无法长期使用；记录大量的神经信号可以显著提高脑机接口表现，但需要芯片有更强大的处理能力；神经信号的变异性强，同时属于小样本数据，解码器训练十分困难。

脑机接口是一个交叉学科，需要整合神经科学、材料学、数学、机器学习、人工智能、集成电路等多方面的共同努力才能创造出完善的产品，这也是Neuralink为人称道的原因之一。

从古老的部落鼓点到现代的交响乐，从街头艺人的吉他弹唱到电子音乐的震撼节奏，音乐无处不在。它能够跨越语言和文化的障碍，触动我们内心最深处的情感。但你有没有想过，为什么音乐能够如此强烈地影响我们的情绪？为什么我们会被一段优美的旋律深深吸引，甚至为之热泪盈眶？最新发表在Nature Reviews Neuroscience上的一项研究揭示了有趣的"音乐神经动力学"（musical neurodynamics）现象（Harding et al., 2025）。

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关于音乐与大脑共振的研究成果，不仅让我们对音乐的本质有了更深刻的理解，还为音乐在多个领域的应用提供了科学依据。首先，音乐作为一种强大的情感工具，可以被用于心理治疗和康复。例如，对于患有抑郁症、焦虑症或创伤后应激障碍的人群，特定的音乐可以帮助调节他们的情绪，缓解心理压力。此外，音乐疗法还可以帮助中风患者恢复运动功能，通过激活大脑中的运动区域，促进神经可塑性的发展。

在教育领域，音乐教育的重要性也得到了进一步的证实。研究表明，学习音乐可以增强儿童的认知能力，包括注意力、记忆力和语言能力。这是因为音乐训练能够促进大脑中多个区域的神经连接，提高大脑的信息处理能力。此外，音乐还可以作为一种跨文化的交流工具，帮助人们更好地理解和欣赏不同文化中的艺术形式。

展望未来，随着神经科学和音乐学的不断融合，我们有理由相信，音乐的奥秘将被进一步揭开。下次当你随着音乐摇摆时，记住，那不是简单的身体反应，而是一场精密的大脑交响乐。

Nishimoto等人通过简单的线性模型构建fMRI和潜在表征对相同图片的映射，利用大脑视觉通路的初级区域与高级区域分别解码得到图像表征z和语义表征c，作为输入，使得模型生成与被试看到的图像类似的图片。

脑机接口如何助力人类走向“超人类”？

解码示意图｜图源：参考文献3

在解码器训练中，被试往往难以完成大量任务，所以训练集样本通常较小；但AI模型可以通过大数据进行训练以获得优秀的生成能力；将两者结合，可以一定程度上解决脑机接口面临的小样本训练以及泛化的问题。

用机械手触碰世界

多模态音乐

侵入式脑机接口很重要的一个应用场景，便是帮助瘫痪患者控制机械臂重获运动能力。但控制机械臂还远远不够，患者还需要感受到机械臂。

运动控制包含前馈和反馈两部分，不加修正的快速完成目标运动是前馈，基于感觉不断修正运动是反馈。比如闭上眼，脱离视觉反馈，我们也可以凭借记忆拿起桌上的杯子，但如果没有触觉反馈，我们很难稳定地握住杯子。

2021年一篇发表在《Science》期刊上的研究工作就实现了向大脑写入机械手的触觉信息，从而使患者更灵巧地控制机械手[4]。

Collinger 等人通过植入在患者运动皮层的阵列电极解码运动意图控制机械手，同时机械手的触觉传感器感受到的信息编码为不同模式的微电流刺激，通过植入在感觉皮层的电极反馈给患者大脑。这一触觉反馈的加入使得患者在上肢运动能力评估（ARAT）中取得更好的成绩。

脑机接口如何助力人类走向“超人类”？

双向脑机接口示意图｜图源：参考文献4

脑机接口并非天方夜谭，也不是横空出世的新概念，而是已经经过了几十年的实验室研究，实现了诸多功能的一项技术。希望在不远的将来它可以帮助更多的患者更好地生活。