随着现代计算机功能的不断发展以及对人类大脑的了解，我们越来越接近将一些科幻小说的清洁变成现实。想象一下将信号直接传输到某人的大脑，使他们能够看到，听到或感觉到特定的感觉输入。这不是为了方便-对于重度残疾人来说，开发脑机接口(BCI)可能是未来数十年来最重要的技术突破。

BCI完全起作用的原因是由于我们大脑的运作方式。我们的大脑充满神经元，各个神经细胞通过树突和轴突相互连接。每当我们思考，移动，感觉或记住某件事时，我们的神经元就会起作用。这项工作是通过小的电信号在神经元之间以250 mph的速度快速滑动来完成的。信号是由每个神经元膜上的离子所携带的电势差产生的。

尽管信号所经过的路径被称为髓磷脂的物质绝缘，但一些电信号会逸出。科学家可以检测到这些信号，解释它们的含义并使用它们来指导某种设备。它也可以以其他方式工作。例如，研究人员可以弄清楚当有人看到红色时，视神经向大脑发送了哪些信号。他们可以安装一个摄像头，当摄像头看到红色时，它将向那些人的大脑发送准确的信号，从而使盲人可以“看到”。

如今，脑机接口研究人员面临的最大挑战之一是接口本身的基本机制。最简单的，侵入性最小的方法是将一组电极(一种称为脑电图仪(EEG)的设备)固定在头皮上。电极可以读取大脑信号。但是，头骨会阻挡很多电信号，并且会扭曲通过的信号。

为了获得更高分辨率的信号，科学家可以将电极直接植入大脑本身的灰质中，或者植入颅骨下方的大脑表面。这样可以更直接地接收电信号，并可以将电极放置在产生适当信号的大脑特定区域。但是，这种方法存在许多问题。需要进行侵入性手术以植入电极，并且长期留在大脑中的设备往往会导致灰质中疤痕组织的形成。疤痕组织最终会阻塞信号。

不管电极的位置如何，其基本机制都是相同的：电极测量神经元之间电压的微小差异。信号然后被放大和滤波。尽管您可能熟悉老式的模拟脑电图仪，但在当前的BCI系统中，它会由计算机程序进行解释，该模拟式脑电图仪通过笔显示信号，并在连续的纸上自动写出图案。

在有感觉输入BCI的情况下，功能相反。计算机将信号(例如来自摄像机的信号)转换为触发神经元所需的电压。信号被发送到大脑适当区域的植入物，如果一切正常，神经元就会发射光，对象会收到与相机看到的图像相对应的视觉图像。

衡量大脑活动的另一种方法是磁共振图像(MRI)。MRI机器是一个庞大而复杂的设备。它可以产生非常高分辨率的大脑活动图像，但不能用作永久性或半永久性BCI的一部分。研究人员使用它来获取某些大脑功能的基准，或绘制应在大脑中放置电极的位置以测量特定功能。例如，如果研究人员试图植入允许某人用其思想控制机器人手臂的电极，则他们可能首先将对象放入MRI中，然后要求他或她考虑移动其实际手臂。MRI将显示手臂运动过程中大脑的哪个区域处于活动状态，从而为电极放置提供了更清晰的目标。

那么，BCI在现实生活中有什么用途？

皮质可塑性

多年来，成年人的大脑被视为静态器官。当您成长为一个学习型的孩子时，您的大脑会自我调整并适应新的体验，但最终它会进入一个不变的状态-或流行的理论就是这样了。

从1990年代开始，研究表明，即使到了老年，大脑实际上仍然保持柔韧性。这个称为皮层可塑性的概念意味着大脑能够以惊人的方式适应新情况。学习新事物或参加新颖活动会在神经元之间形成新的联系，并减少与年龄有关的神经系统疾病的发作。如果成年人遭受脑损伤，则大脑的其他部分能够承担受损部位的功能。

为什么这对BCI很重要？这意味着成年人可以学会用BCI进行手术，他们的大脑形成新的连接并适应神经元的这种新用途。在使用植入物的情况下，这意味着大脑可以容纳这种看似外来的入侵并建立新的连接，将植入物视为自然大脑的一部分。

BCI研究中最令人兴奋的领域之一就是可以通过思想控制的设备的开发。这项技术的某些应用似乎很琐碎，例如通过思想控制视频游戏的能力。如果您认为遥控器很方便，请想象一下改变频道的想法。

但是，更重要的应用是允许严重残疾人士独立运行的设备。对于四肢瘫痪者而言，诸如通过心理命令来控制计算机光标之类的基本操作提高生活质量的革命性改进。但是，我们如何将这些微小的电压测量值转换成机械臂的运动呢？

早期的研究使用了植入电极的猴子。猴子用操纵杆控制机械臂。科学家测量了来自电极的信号。最终，他们改变了控制方式，使得机械臂仅由来自电极而不是操纵杆的信号控制。

一个更困难的任务是为无法物理移动自己手臂的人解释大脑的运动信号。对于这样的任务，受试者必须被“训练”使用该设备。放置好脑电图或植入物后，对象会形象地看到自己右手合拢。经过多次试验，该软件可以学习与手动闭合相关的信号。连接到机械手的软件被编程为接收“闭合手”信号，并将其解释为机械手应闭合。此时，当对象考虑要合上手时，将发送信号并合上机器人手臂。

使用类似的方法来操纵计算机光标，使对象考虑光标的向前，向左，向右和向后移动。通过充分的实践，用户可以获得对光标的足够控制，以画一个圆，访问计算机程序并控制电视。从理论上讲，它可以扩展为允许用户“输入”他们的想法。

一旦将思想转换为计算机或机器人动作的基本机制得到完善，该技术的潜在用途就几乎是无限的。残疾人可以代替机器人手，而将机器人支架固定在自己的四肢上，从而使他们能够移动并直接与环境互动。这甚至可以在没有设备的“机器人”部分的情况下完成。可以将信号发送到手中适当的运动控制神经，绕过脊髓的受损部分并允许受试者自己的手进行实际运动。

使用BCI的最常见和最古老的方法是人工耳蜗。对于普通人来说，声波进入耳朵并穿过几个微小的器官，这些器官最终将振动以电信号的形式传递到听觉神经。如果耳朵的机制严重受损，该人将听不到任何声音。但是，听神经可能运作良好。他们只是没有收到任何信号。

耳蜗植入物绕过耳朵的无功能部分，将声波处理成电信号，并通过电极将其传递到听觉神经。结果：以前耳聋的人现在可以听到。他可能听不到很完美，但可以听得懂对话。

大脑对视觉信息的处理比音频信息的处理要复杂得多，因此人工眼的开发还不那么先进。原理仍然是相同的。电极被植入视觉皮层内或附近，视觉皮层是处理来自视网膜的视觉信息的大脑区域。一副装有小型相机的眼镜与计算机连接，然后与植入物连接。经过与远程思想控制的运动类似的训练后，受试者可以看到。再次，愿景并非完美，但自1970年代首次尝试以来，技术的改进极大地改进了它。Jens Naumann是第二代植入物的接受者。他完全是个盲人，但现在他可以独自驾驶纽约市的地铁，甚至可以在停车场附近开车[来源：CBC新闻 ]。就科幻小说成为现实而言，这个过程非常接近。将摄像头眼镜连接到Naumann大脑中的电极的端子类似于用于连接“星际迷航：下一代” 电视中的盲人工程人员Geordi La Forge所佩戴的VISOR(视觉仪器和感觉器官)的端子。表演和电影，它们本质上是相同的技术。但是，瑙曼无法“看到”电磁频谱的不可见部分。

了解脑机接口的固有局限性，并了解一些激动人心的创新。

思想控制？

如果我们可以将感觉信号发送到某人的大脑，这是否意味着思想控制是我们需要担心的事情？可能不是。发送相对简单的感觉信号非常困难。使某人非自愿采取某种行动所必需的信号远远超出了当前技术。此外，以前的思想控制者需要绑架您，并在广泛的外科手术中植入电极，您可能会注意到这一点。

BCI的缺点

尽管我们已经了解了BCI的基本原理，但是它们并不能完美地发挥作用。有几个原因。

大脑是极其复杂的：所有的思想或行为都是大脑中电信号的结果，这是一种轻描淡写的说法。人脑中大约有1000亿个神经元。每个神经元都通过复杂的连接网络不断发送和接收信号。还涉及一些化学过程，而脑电图是无法掌握的。

信号微弱，容易受到干扰：脑电图测量极小的电势。像被检者眨眼一样简单的事情会产生更强的信号。在未来，脑电图和植入物的细化可能会在某种程度上克服这个问题，但是就目前而言，读取大脑信号就像在听电话连接不良一样。有很多静电。

可便携式设备比较少：它比以前要好得多-早期的系统被硬连线到大型主机上。但是某些BCI仍然需要与设备的有线连接，而那些无线BCI则要求受试者携带一台重约10磅的计算机。像所有技术一样，这种技术将来肯定会变得更轻巧，更无线。

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