以灵笼2前瞻预告为例，探讨科幻作品对脑机接口的未来想象

来源：中国科学网小编：佚名 2023-11-10 10:21:23

（魏毅，清华大学工业工程系人因所研究助理，北京师范大学心理系硕士。主要研究方向为人机交互、认知行为建模、仿真与行为预测，参与135 项目“多模态信道交互与自然语义处理”，负责个体认知信息带宽测量设计及实验。）

在科幻大片中，经常能看到人类依靠意念指挥机器，失语者可以重新说话……其实，这些所谓的“人类超能力”并非只存在科幻作品的想象中，这也与现实中的一项正在探索中的脑机接口技术密切相关。

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科幻中的”超能力“逐步走向现实

脑机交互接口是一种将人类大脑与具有处理或计算能力的设备直接连接的技术。其技术原理是使用特定传感技术，读取脑区在执行任务时产生的电信号、血流量或血氧浓度等信息，并通过大量的计算与训练将使用者的想法和意图编码为设备可以理解的信号去控制外部设备。

关于“脑机接口”的研究至今已延续约60年，近几年的发展更是在医学领域掀起了巨大改变。去年年初，患了抑郁症16年的中国男子在人脑中植入脑机接口用于治疗抑郁症的案例引发广泛关注；今年一位因12年前的车祸导致脊椎受损的荷兰男子通过“脑机接口”技术能帮助大脑绕过脊椎，成功控制腿部肌肉重新行走，8月份发表于《自然》的两项研究中两名因严重瘫痪而无法说话的美国患者通过采用侵入式脑机接口（BCI），实现与他人的交流.....这一切都在预示着：科幻本身就是创作者对现实的映射，而无数科学家们正在努力让科幻中的“超能力”走向现实......

主海报横版

科技发展助推科幻作品大胆想象

同时，科幻文学也是科技时代的文学。脑机接口技术的飞速发展，也让科幻影视作品开启了脑机连接的新篇章。最新播出的科幻动漫《灵笼2》超长PV中超级人工智能ASH与未知智慧生物二者的连接就是“脑机接口技术”的重要表现。

在对智慧生物的研究中，直观形象的展示了非侵入式与侵入式脑机接口技术不同的研究思路与优缺点。

脑机接口的两种方式：

目前脑机接口可以分为非侵入式和侵入式，虽然两种方式的底层逻辑完全一致，都是通过信号读取设备获得受试者脑部产生的直接或间接的信号。通过计算机技术进行降噪、特征值提取、信息解码，并将信息重新编码成计算机或其他机器可以理解的指令，最终达成操作计算机或其他机器的目的。但想要达到理想的效果均需要进行大量的机器学习。二者在具体的实操中却存在较大的区别：

i：非侵入式脑机接口：

整体原理：通过对人脑工作时工作区域的间接变化观察并记录，使用计算机辅助进行解码与信息分析的技术，是需要借助头部的电极帽、近红外或者或等核磁共振等设备，分别采集人脑在工作时附带产生的电信号、血氧浓度变化、血流量的变化，推断对刚刚发生的刺激产生反应的脑区。

技术特点：设备本身不会破坏人体表层结构，安全无创，应用场景更加安全，对使用者危害与风险程度更小。

ii：侵入式脑机接口

整体原理：通过直接将神经元信号采集设备植入到大脑内部，直接记录和解读神经元、神经核团活动的电信号，将微电极阵列插入到大脑皮层或更深的神经结构中，直接读取神经元、神经核团的工作时的电信号，完成神经环路变化的数据的记录。

技术特点：这种方式要求更高，设备的安装、维护、拆卸需要专业的技术人员与手术才能完成，伴有较高风险安全与不可逆性，目前一般用于动物实验或治愈疾病等。

因此，ASH前置的非侵入式实验中并没有手术需求，等到采用侵入式后才选择让脑科学家白月魁进行开颅手术。

脑机接口的“读心术”功能

大脑作为人类体最为复杂的器官，1000多亿个神经元形成100多万亿个神经元连接，使得“读懂”大脑成为世界性难题。要“读懂”大脑，就必须先了解大脑是如何对外部世界做出反应。本质上来说，人脑的认知、决策、运动、语言等活动是是由电信号构成的。大脑中的神经元通过细胞膜上的钠钾离子通道进行充放电行为，借由轴突完成神经细胞内的信号传递、树突完成神经细胞与神经细胞间的信息转换与传递。即要读懂大脑，必须使用脑机接口的脑到机方向，即如何使用机器读取脑的信号。

当下脑机接口技术主要对象是人脑，大量实验成果的取得都源于对人类大脑的研究，要想读懂未知智慧生物的大脑信号难度更大。理论上是可以的，但要想实现还有许多前提条件：生命形式需要是碳基生物，生理组成、器官功能与智人类似，大脑内部信息交换也是使用生物电方式，有神经元和脑区的划分，脑功能正常，可以对外界刺激进行反馈.....

因此《灵笼》动画在这一块的处理上是将未知智慧生物的状态进行艺术化处理，以类似“人类”的状态进行研究的。

ASH在最初面对智慧生物时，考虑到其是当下人类面对的首个独一无二的生命体，没有其他可对照研究的个体案例。因此，对她的研究采用的是不破坏生物结构的方法，即在能不破坏其体态和内部结构，就不破坏的前提下进行的，比如提取体表岩层样本进行检测，测年结果证实她足足存活了2.5亿年之久；在脑机接口技术的运用上也是率先选择了非侵入式。

虽然非入侵式脑机接口获得的只有脑区特定部分功能作用的信息，而不能获得精确到神经细胞电信号，但却是作为获取智慧生物记忆的前置必要操作。因为ASH使用非侵入式技术可以获得智慧生物的脑区功能信息、定位重要区域，判断其对外界是否有反馈，只有其还有生理反应的基础上，才能经过非入侵技术的前置实验进行的初步信息收集与神经电活动解码，解码智慧生物对声音、温度、硬度（形状）信息等内容的电信号反馈模式，形成一个智慧生物脑信号转译人类信息的密码本。这也就是《灵笼》动画中提到的通过“上千万次的非条件反射实验”，即外界刺激与有机体反应之间与生俱来的固定神经联系，“记录了她的脑电波”，在经过长时间实验大量累计，以及侵入式研究针对神经环路、神经元的底层神经活动的破译，得出大脑电信号所代表的信息并翻译成对应的人类语言，也就是将大脑电信号代表的未知生物的文字语言转化为人类语言，从而“以此构建了一套基础的转译数据库”，使得人类能够对未知生物大脑中的画面有所了解。

在灵笼PV里提到ASH得到了一些模糊且断续的画面，我猜测在早期的实验过程中有几种原因：

如果使用了侵入式技术，得到的却是画面模糊或含义混乱，应该是解码破译技术导致。毕竟非侵入式通过在头皮上采集脑电信号来监测群体神经元放电活动，是对产生信号的活动同时造成的现象进行观察，从而反推脑电信号的放点活动，是对信号的间接测量。
如果使用了非侵入式技术，获得的是一些意义不明的词汇反应，具有歧义的模糊概念等等内容，无法组成具有逻辑的语句，这或许与信号精度有关。因为，非入侵式脑机接口通过测量的是区域性脑电波、脑血流量、脑代谢或血氧浓度的变化，而血氧浓度与血流量存在一定滞后性，核磁设备的特性只能通过牺牲时间精度获得信号，脑电设备测量的是某一处脑电极的电位变化，对神经元而言空间极大，因此只能牺牲空间精度获取信号。

因而随着动画中危机加剧，到了研究后期，ASH要想尽快获得精准的记忆和知识，至少需要获得精确地神经环路链接方式信息与电信号传递信息内容，同时记忆的回忆需要经过有意的提取才能激活相应神经环路，回忆起相应的知识，提取则需要对特定的神经元进行特定的电刺激，而且精确到神经环路和输入刺激都不是侵入式脑机接口可以做到的，因此需要转换为侵入式脑机接口才能做到。

科幻《灵笼》对于脑机接口的未来展望

i：脑机接口与AI技术结合

《灵笼》采用侵入式脑机接口的全过程，既是对脑机接口技术发展成果的艺术化呈现，也是对脑机接口技术的超前探索。脑机接口另一个端口不再是冷冰冰的机器，而是拥有了自我意识的ASH，这是将AI的发展与脑机接口发展相结合的大胆想象。

ASH也打破了以往科幻片中AI与人类对立的常规情况。虽然对ASH而言，游弋于数据海洋更自由，但其认为接近人类的形态可以让人类更加亲切，于是选择将意识放在拘束的躯壳中，选择了人类心理上更容易沟通和亲近的的女性躯壳作为载体，这是ASH对人类身份的认同。更出乎预料的是，她愿意冒着失去意识的危险去探寻拯救人类的方式，显示出了极高的社会道德和责任意识，将人类命运共同体的理念从全球人类层面拓展至人机层面。ASH身上的种种行为亦是未来AI拥有意识后人类必然要探索和希冀达成的状态。

目前《灵笼》中这种通过脑机接口或其他脑部植入技术，记录、解码和重新激活先前的记忆轨迹，从而恢复失去的记忆的方式，实际上还处于理论阶段。因为当下的脑机接口研发还处于早期阶段，大脑是一个极其复杂的器官，记忆也被认为是一种经过特化之后的神经突触链接方式，人使用记忆需要经过大脑激活该处神经，只有唤醒承载记忆的神经环路才能正确回忆起记忆。而神经环路并不是随时唤醒的，就拿电路来说，通过控制器的电流走不同的路线，达成不一样的最终效果。

这与计算机读取硬盘是完全不一样。虽然人体确实存在特定的记忆回路（由低级神经中枢处理，形成肌肉记忆或非陈述性记忆），但与计算机的存储方法（直接以磁性or电荷数量形式进行存放，只要有对应传感器就能读取）是截然不同的。所以目前还没有完全直接读取记忆的可行方法。

因而动画中ASH读取智慧生物大脑信息是一种大胆想象，并基于未来脑机接口可以读取大脑信息的前提，进行了艺术化处理。在连接对象神经元激活后，ASH背后伸出的无数根管子到达大脑上空，通过侵入式技术对大脑进行特定的电刺激，完成点刺激输入-反应记录-结果解析的全流程，最终转化为ASH可以理解的东西。

ii：电极材料的突破与想象

现阶段因为神经环路千变万化，人类目前还不能完全解开大脑的运算机理。作为直接作用在神经元的电极，在理论上是有可能配合膜片钳技术对单一神经元细胞进行点刺激，进行电刺激并通过记录的结果推导神经元、神经核团乃至神经环路的作用。但该方法仅仅存在于理论当中，现实生活中多通道电极采集电生理信号尽管有所突破，但是相较于整个大脑的神经元数量依旧杯水车薪，鉴于每个电极的体积和材质，想要覆盖到整个大脑半球来采集信号仍有极长的路要走。而且电极采集到的信号也局限于神经元电位或局部场电位，对于破译和提取大脑的连接信息以及产生实际的操作和语义信息远远不够，同时无所不在的噪声也会干扰信息提取的准确性。可以影响细胞层级的神经元控制电极，不管是在制造上还是安装上，都存在无数的难题。

近些年，对于脑内电信号的采集和调控研究中已经有了《灵笼》中纳米柔性电极的身影。此前，首都医科大学附属北京天坛医院、斯坦福大学、天津大学的研究人员共同研发出新型柔性电极，该电极由2微米大小的电极点组成，这个材料是目前世界上精度最高的柔性可拉伸微阵列电极。

由于智慧生物的体型是人类的数倍，面对如此庞大的脑组，常规的硬性电极不管是从数量、密度、定位都不具有可行性。因此动画中专门为智慧生物开发一套柔性电极进行神经细胞的电信号读取是非常有必要的。动画中的液态柔性电极对神经细胞的测量，既是对现实中已有的“纳米柔性材料”的反射，也是一种很新颖、很大胆的科学猜想，也是当下医学界正在努力探索的。而当电极采集到的信息海量的汇入ASH的服务器中时，ASH自身接受、解码的能力似乎撑不住了，这就脑机接口技术中涉及到的计算机算力有关。人类大脑的构造十分复杂，由大约上千亿个神经元组成，并存在约100万亿个神经突触连接。

动画中的智慧生物的大脑体积非常大，其神经元数量可能超过人类几个数量级，“她大脑中的神经元数量是人类的上万倍”，同时它在地球度过了上亿年的光景，产生的神经突触数目自然也是令人叹为观止的。因此ASH最终宕机自然也在意料之中，这就是庞大的神经元数量所产生的信息和整合分析将对人工智能的算法和能力提出巨大的挑战。《灵笼》动画中ASH的功能只启动了0.2%，如果全部功能启动，那么ASH的算力或许可以支撑对智慧生物大脑的解读，这大概也是对未来计算机算力的一大展望。

科幻作品与脑机接口技术发展相互促进

“科幻”离不开“科技”，科技发展与突破是科幻作品的土壤。当下脑机接口的发展动力来自于人类渴望扩展大脑智能的需求，希冀将人脑的思维判断、创造力与机器快速运转和计算能力结合，实现脑机协同，而这也为像《灵笼》这样的科幻作品提供更多素材和现实依据。

同时，科幻源于现实却又高于现实。人类对于未来的波澜壮阔的科学幻想中，更蕴含着人们对科学、科技的追逐，这也赋予了科幻作品更大的想象空间。于是《灵笼》中关于脑机接口连接端口、未来用途、电极材料以及计算机设备的相关内容，呈现了很多天马行空的想法。也许未来，随着BCI的逐步发展，脑机接口对于信息采集和解读能有突破性的进展，《灵笼》中呈现的脑机接口技术运用场景也会从科幻片中走到现实中。