西德尼 · 珀科维兹深入浅出地介绍研究人员为研发更安全、更耐用、惠及更多人群的脑机接口所做的诸多前沿工作。
人类大脑是一种复杂到惊人的机器。人类大脑皮层拥有800多亿个神经元，每个神经元又有1000个突触。我们的大脑每秒大约要处理100兆比特的信息。想象一下，要是在我们思考的时候，尝试实时测量、提取并解释我们大脑中的所有信号，会是什么场景？记录大脑曾经只是科幻小说和电影——比如《X战警》（X-Men）和《黑客帝国》（The Matrix）——才有的情节，但现在，我们真的有可能把大脑同计算机连在一起，并且通过这种系统控制机械手臂，或者把你脑海中的想法记录下来。
脑机接口（BCI）的作用就相当于人类大脑和外部设备（通常是计算机）之间的桥梁。脑机接口收集大脑中的电信号，经过分析后将其转化为计算机可以理解并执行的指令。另一方面，脑机接口也可以用外部信号调控大脑。由于神经科学、生物医药学、物理学和相关技术的共同发展，我们现在可以借助脑机接口改变患有严重疾病的人的生活。另外，脑机接口在机器人、神经科学、技术、游戏和计算机等诸多产业中也有广泛应用。
在过去25年里，脑机接口让瘫痪人士得以用思维操作计算机。脑机接口帮助人类恢复了因卒中而丧失的语言能力，让那些肢体残缺或瘫痪的人重新获得相关功能，至少也能帮助他们操作机械手臂和手掌。通过脑机接口，我们已经能诊断出癫痫和其他一些神经系统疾病，并且为成千上万人缓解了此类病症。脑机接口甚至有望让盲人恢复视力。
然而，上述例子中的大多数都需要患者做大脑外科手术，从而将电极放置在大脑表层（皮层）之上或之内，甚至可能会放到更深的部位。这显然是有风险的，因为可能会导致出血或感染。另一个问题是，研究人员目前还不清楚植入电极会对大脑组织产生何种影响、造成何种潜在的伤害，同时也不清楚电极的效果能持续多长时间。如此种种都意味着，就目前的状态来说，电子植入物并不能安全且可靠地长期帮助数百万能够从中获益的人。实际上，目前，只有在其他所有治疗方案都无效，或是在实验中，才会在人类大脑中植入电极——全世界大约有50名生活严重受限（比如瘫痪）的人接受了此类手术——因为只有在这种情况下，改善生活水平的收益才会大于手术风险。
幸运的是，部分问题的解决方案或许就在物理学原理和方法中。物理学可以让这些电子植入设备更加安全、更加耐用并且更加廉价，惠及更多人群。此外，物理学还能改善脑机接口的植入方法和使用材料。当然，更关键的还是可以通过光、磁场或超声波与大脑相互作用的方式完成脑机接口的植入或者说配对，从而减少或消除做大脑手术的需要。无线、便携或可穿戴的非侵入式脑机接口可以大大推动与大脑相关的研究和医疗手段，当然也能让普通人在日常生活中使用。
记录思想
从古代一直到19世纪，医生和实验家其实一直在不经意间尝试各种为医学治疗而改变大脑电活动的基础实验。1924年，德国精神病学家汉斯 · 伯杰（Hans Berger）把电极放在病患的头骨上，记录大脑电活动，从而发明了脑电图（EEG）技术。从此，这个领域便登上了严谨的学术殿堂。20世纪70年代，物理学家和计算机科学家雅克 · 维达尔（Jacques Vidal）展示了通过思维控制外部设备的过程——装配脑电图的人类志愿者通过思想移动电脑屏幕上显示的光标。
目前，脑电图仍旧是一种颇有价值的非侵入性工具，可以帮助医生诊断癫痫等疾病，查找病人患上此类疾病的原因和类型，同时还能研究痴呆、大脑肿瘤和脑震荡等其他症状。然而，脑电图只能对大量神经元做采样，而且信噪比很低，因此很难将信号同特定的大脑活动联系起来。
另一方面，植入式电极倒是能直接采样特定的神经元。1998年，在亚特兰大工作的神经学家菲利普 · 肯尼迪（Philip Kennedy）在一名称为“JR”的病人（他因卒中而瘫痪）的大脑中植入了定制的电极，从而在实验层面证明了植入式电极可以采样特定的神经元。这位不幸的病患认知能力完好，但就是不能移动和说话了。最后，植入了电极的JR学会了用思维控制电脑光标拼写单词同外界交流。
手术方案 布莱克洛克神经技术公司的尤他阵列是一种植入式电极阵列，许多研究人员和临床医生都用这种阵列创造脑机接口
现在，很多研究人员和临床医生都在使用一种植入式电极阵列，也就是布莱克洛克神经科技公司的“尤他阵列”。这是一种定制的硅产品，在4毫米 × 4毫米的绝缘衬底上以400微米的间隔（大约是一粒胡椒粒的大小）配置100个p型硅电极，组成一个10 × 10的阵列。这些电极长度在0.5~1.5毫米之间，顶端覆有铂或氧化铱。全球范围内大约有30名饱受各种瘫痪症状困扰的患者植入了此类设备。举个例子，2015年，南森 · 柯普兰（Nathan Copeland）就植入了4个尤他电极。柯普兰在2004年遭遇车祸，胸部以下瘫痪。借助这些植入物，柯普兰可以用思维控制计算机，播放视频，控制机械手臂。截至写作本文时，柯普兰是植入这类电极时间最长的患者，但我们目前仍未充分了解这种侵入式脑机接口技术的真正长期影响。
减少侵入性
在大脑中植入电极或其他任何人工植入物的问题在于，它们会引发免疫反应，使邻近的组织发炎并留下疤痕。从机械角度上说，坚硬的电极与柔软的大脑组织之间显然也不匹配，这会放大上述问题，进而削弱电极性能。
然而，寻找适合做电极和衬底的具备相应电性能的耐用生物相容性材料是物理学和材料科学面临的一大挑战。目前来看，有希望的候选材料包括柔软的柔性导电聚合体，以及极薄的电导体，如碳纳米管和硅纳米线等。
此外，研究人员还在努力通过调整现有的医疗技术尽可能降低大脑外科手术的风险。他们通常用支架——一种微小的空心圆柱体——撑开人体内各种类型的血管。支架的一种常见用途是保持冠状动脉畅通，一般认为相关手术侵入性很小。同步神经科技公司开发了一种名为“支架电极”（支架电极记录阵列）的设备。从本质上说，这种产品就是把电极安装在支架上，然后再把整个支架永久植入大脑中的一根血管。支架电极可以探测到大脑信号，并且通过无线的方式把信号传输给计算机。在人类试验中，支架电极可以让那些瘫痪被试操作计算机。
美国公司神经连接（Neuralink，埃隆 · 马斯克是这家公司的联合创始人之一）则在2019年宣布，他们使用了另一种方法开发出了一种脑机接口，只需使用手术机器人就能把它植入头骨，并且也能在大脑中植入至少1024个柔性电极。自那之后，神经连接就没有披露更多信息。不过，这家公司的产品最近得到了美国食品药品管理局（FDA）的批准，未来应该会公开更多相关内容。无论具体形式如何，以电极为基础的脑机接口未来仍将扮演重要角色，毕竟它们的空间分辨率高且响应迅速，但是，非侵入式脑机接口也在飞速发展之中。
光子探索大脑
在电磁波谱中，近红外光（NIR）的波长在700~1400纳米之间，只要功率密度控制在每平方厘米几毫瓦以下的水平，近红外光就能在不造成任何伤害的前提下穿透到头骨下几厘米处。一种叫作“光生物调节”的非侵入式近红外方法表明，它的确可以刺激大脑。举个例子，在2021年的一项临床试验中，研究人员将痴呆患者反复暴露在波长1060~1080纳米的发光二极管（LED）灯光下。同对照组对比后发现，在认知功能与主观情绪方面有显著改善。研究人员认为，光可以增强细胞功能或是减少炎症，但要想建立确切的理论机制，还需要更多可靠的相关研究。
光能发挥作用 可奈尔公司的Flow2头盔使用fNIRs绘制大脑活动
第二种非侵入式方法叫作“功能性近红外光谱”（fNIRs）。这种方法通过近红外光测量大脑血液循环中血红蛋白吸收的光的变化。由于脱氧血红蛋白吸收近红外光的方式与氧合血红蛋白（HbO2）不同，应用这种技术便能绘制大脑活动。激活神经元需要增加富含氧合血红蛋白的血液流量，只有这样才能检测大脑功能。实验时，研究人员将两种波长的近红外光施加在被试头骨上，通过测量这两种近红外光在特定区域的衰减差异确定哪些大脑区域处于活跃状态。目前，fNIRs已经投入临床应用，且美国可奈尔神经科技公司正在开发一款头戴式fNIRs耳机设备。这种设备用52个模块覆盖用户头骨，每个模块都有能释放690纳米和850纳米激光的激光源以及一个探测器。2021年，美国食品药品管理局批准使用该设备测试大脑对迷幻药物的反应。
虽然含氧血流的形成需要几秒钟时间——这使得fNIRs响应速度太慢，不足以控制外部设备——但这种技术确实能提供比脑电图更高的空间分辨率和更好的信噪比，这就意味着fNIRs可以更准确地探明大脑活动。fNIRs头戴式设备甚至可以测量被试自由运动时的大脑活动，这使得绘制大脑图谱和诊断不同情况下的神经系统状态成为可能。
使用另一种方法——叫作“事件相关光学信号”（EROS）——可以获得更快的响应速度。这种方法使用红外光测量皮层脑组织的光学特性变化。当神经元处于活跃状态时，神经组织与光的相互作用会发生变化，因为这增加了光的散射，延长了光子穿过大脑的路径，从而推迟了它们抵达探测器的时间。
在对人类被试的早期实验中，研究人员让近红外光通过光纤穿透颅骨，之后又在神经元激活之后不多于0.1秒的时间内在很短的距离上检测到这种近红外光。因为整个测量过程对技术的要求很高，所以目前还没有太多更深入的工作。不过，最近的一些研究结果表明，将EROS和fNIRs这两种方法结合起来可以为开发空间和时间分辨率良好的非侵入式脑机接口打下良好基础。
磁大脑
目前，还有一种追踪大脑神经活动的成熟非侵入式方法是“功能性磁共振成像”（fMRI）。标准磁共振成像的工作方法是在强磁场中检测人体脂肪和水中质子的行为，进而绘制全身结构的图像。而fMRI则转而检测大脑中血流的信号——如前文所述，这种血流信号取决于血红蛋白的氧合水平。与fNIRs类似，fMRI也同样可以给神经活动活跃的区域贴上标签，但空间分辨率可以达到1毫米，而不只是1厘米。这样一来，从神经元发出信号到设备接收信号，总共大约只有几秒钟的延迟，从而可以近乎实时地绘制大脑图像，但对用大脑控制外部设备这一目的来说，这个响应速度还是太慢。此外，fMRI还需要配有超导磁铁的昂贵大型设备。
非侵入式的“脑磁图描记术”（MEG）能够让响应速度变快。这种方法通过检测活跃神经元间流动的离子流产生的飞特斯拉（1 飞特斯拉=1×10-15特斯拉）磁场追踪神经元活动。测量这类磁场时，在头皮附近放置高灵敏度超导量子干涉（SQUID）设备，同时，整个测量过程都要在具有屏蔽效果的房间内进行，以防磁干扰。MEG的空间分辨率在1~2毫米，而且响应时间短至毫秒级，但需要运行成本颇高的庞大设备。
创新设计 诺丁汉大学的衍生公司塞尔卡磁铁创造了这种刚性“光泵磁强计-脑磁图描记术”（OPM-MEG）头戴式设备，适合大多数四岁小孩的头颅大小
一种叫作“光泵磁强计”（OPM）的新型探测器是MEG的改良版本，能够在室温环境中测量大脑磁场。OPM用的是一块充满锂原子蒸气的小电池。一个调整到特定量子跃迁状态的激光二极管以光学手段泵出蒸气，使原子磁矩对齐。这种磁化过程与大脑磁场发生相互作用，改变了由探测器确定的蒸汽不透明度，从而使得测量磁场成为可能。
2023年早些时候，总部位于英国的塞尔卡磁铁公司凭借开发OPM-MEG头戴式大脑扫描设备而获得了一个量子创新方面的奖项。这种设备由50个乐高积木大小的单元组成，这些单元安装在能够覆盖整个大脑的全覆盖式头盔上。这种可穿戴式OPM-MEG脑机接口的原型设备已经能够在被试移动的时候做出神经诊断。另外，因为这种设备空间分辨率和时间分辨率都很高，所以可能可以用来控制外部设备。
倾听大脑
另一种便携的非侵入性方式则是超声波技术。我们现在广泛采用超声波技术拍摄身体结构——比如红细胞——因为它们会反射出高频声波。在过去10年里，超声波技术蓬勃发展。目前，“快速功能超声”（fUS）已经可以借助多普勒效应测量大脑血流，进而认证处于活跃状态的神经元。应用fUS技术时，探头会产生超声平面波并且通过数百个通道收集数据。接着，计算机汇聚、整合这些波，做进一步分析后快速生成高分辨率大脑功能图像。对非人类灵长类动物的研究表明，通过颅骨上的微创口使用fUS技术，可以支持用于追踪神经冲动（代表身体运动）的脑机接口。此外，超声波技术还可以用于“经颅超声刺激”（TUS）。这种调节神经行为的方法，可以定位到大脑中几立方毫米的范围内。在大量动物实验之后，部分人类试验表明，TUS可以治疗像疼痛或抑郁这样的神经问题或精神问题。
非侵入式脑机接口的未来
未来，应该还会出现其他物理方法能在对大脑造成尽可能小的伤害的前提下进入大脑，它们可以作为对植入物的补充，甚至可能在未来某一天取代植入物，从而使脑机接口变得更安全、更便宜，也能更广泛地应用于医疗实践。英国纽卡斯尔大学神经科学家安德鲁 · 杰克逊（Andrew Jackson，从事神经科学研究之前是物理学家）表示，就记录大脑这个功能来说，目前最令人激动的技术是可穿戴式的OPM-MEG设备。他还补充说：“这同样也是有意思的物理学课题！”同时，杰克逊还特别提到了超声波技术在刺激大脑方面的价值。不过，他也警告称：就目前来说，所有非侵入式技术的空间分辨率都无法达到植入物的水平。在将这些技术投入临床应用（甚至更广泛的用途）之前，还有很多工作要做。
完美适配 医学物理学研究人员与模型制造机构合作，打造了这款3D打印的定制OPM-MEG头盔，它能完美适配个人的头型
如果非侵入式脑机接口能够消除手术风险，那么即便是健康人都有可能产生借助这种技术增强自身感知能力乃至智力的动机。著名神经科学家克里斯多夫 · 科赫（Kristof Koch）就曾指出，如果有一种安全的脑机接口能把大脑和计算机连接起来，从而让人类直接下载信息到大脑中，那绝对是一件无比“美妙”的事。
2021年，旧金山初创公司思维大门（MindPortal）为开发一款用于虚拟现实游戏的“精神控制”头戴式设备募集了500万美元。这种设备使用的是一种已获得专利的技术，没有向大众公开技术细节，可能是一种基于快速近红外光的方法。在脑机接口的另一种应用中，经颅直流电刺激（tDCS）设备已经能以相对适中的价格向公众开放。这种设备会向人类颅骨施加毫安级别强度的电流，据说可以由此提升认知能力。
毫无疑问，面向大众消费市场的神经技术已经兴起。对此，神经伦理学家指出，如果缺乏有效监督和监管，神经技术的滥用可能会造成危害——此外，我们还必须考虑隐私和精神控制等方面的问题。在开发非侵入性脑机接口的过程中，研究人员也极大地推进了大脑方面的研究和治疗，帮助严重残疾的人士重获自力更生的生活。与此同时，研究人员也应该清楚地意识到神经技术设备在实验室和临床应用之外可能引发的诸多伦理困境。
资料来源 Physics World
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本文作者西德尼·珀科维兹（Sidney Perkowitz）是美国埃默里大学查尔斯·霍华德·坎德勒物理学名誉教授
波丽娜 · 艾尼基娃与新材料
材料上的新想法 波丽娜·艾尼基娃开发了一种直径几十微米的柔性多功能纤维，可以刺激神经元并用电的方式记录神经元反应
波丽娜 · 艾尼基娃（Polina Anikeewa）是麻省理工学院（MIT）的一位跨学科科学家，研究领域涉及材料学、大脑研究和电子学。她在俄罗斯拿到生物物理学学士学位后，在麻省理工学院拿到了博士学位，研究方向集中在有机发光二极管（LED）和纳米粒子上。作为一名对各种基础概念了如指掌的物理学家，艾尼基娃意识到自己可以选择从事“任何感兴趣”的工作，只要能有所建树即可。
于是，艾尼基娃就转向了神经科学领域，在斯坦福大学同卡尔 · 德塞罗斯（Karl Deisseroth）一道做研究，后者正是光遗传学领域的开创者——所谓“光遗传学”，实质就是一种用光控制神经元活动的突破性技术。也是在斯坦福大学，艾尼基娃平生第一次手捧人类大脑。那可不是什么坚实的东西，而是柔软得“像布丁一样”。那一刻，她顿悟了，意识到探测大脑的物理探针应该与其材料特征匹配，从而实现侵入性最小化且稳定性最大化。艾尼基娃给出的方案是，制造一种直径几十微米的柔性多功能纤维，这种纤维可以通过光或向病患递送药物的方式刺激神经元并且用电的方式记录下神经元反应。在广泛应用这种材料于各种啮齿动物的脑功能研究之后，艾尼基娃和她的合作者现在报告称，首次在非人类灵长类动物上使用这种纤维研究实验对象的大脑功能。这是朝着人类试验迈出的关键一步。
艾尼基娃还利用自身的材料学学科背景研究以纳米粒子作为大脑刺激源。她的研究结果表明，与“经颅磁刺激”相比——所谓“经颅磁刺激”，是指在颅骨上施加强度会变化的磁场，从而在颅骨下方的神经元中诱发电流——由外部磁场激活的磁性纳米粒子可以影响大脑的更深部位。
艾尼基娃和她的合作者还呼吁科学界与工程界在神经技术发展一事上秉持负责任的态度。艾尼基娃认为，有了这种态度，再加上适当的监管，就能推动个人和社会应对神经技术及其医疗用途（比如脑机接口）带来的伦理问题。