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引子
“我不想成为家养宠物，那该怎么解决这个问题呢？我觉得似乎最好的办法就是在人脑增加一个人工智能分层。”——Elon Musk
2019年可谓是脑机接口（BCI）元年。
2019年7月，马斯克旗下的Neuralink公司发布了该公司研发的第一款脑机接口（BCI，脑机接口英文简称）系统，从而引爆了普通公众对这一颇具科幻色彩技术的关注与追捧。该BCI系统通过一台神经手术机器人，像微创眼科手术一样安全无痛地在脑袋上穿孔，向大脑内快速植入芯片，然后通过USB-C接口直接读取大脑信号，还可以用iPhone控制！但世界上第一个创造出“BCI”概念的人是谁？他又是如何搭建出世界上第一个非植入式BCI系统的呢？
图1 用于插入线程的“神经外科机器人”（来源：Neuralink）
图2 “缝线机”一个神经外科机器人，每分钟能够植入六根线，整个过程，特别像缝纫机
图3 特制的芯片，用来读取大脑的信号，并进行降噪和信号放大。目前这个系统是用 USB-C 接口来传输数据。
图4 无线传感器，马斯克的长期目标。
BCI的诞生
“科学上的天才与艺术的天才一样，从根本上讲就是具有正确选择的能力。”——比利时科学史家，乔治·萨顿
雅克·维达尔（JacquesJ. Vidal），美国加州大学洛杉矶分校（Universityof California, LosAngeles，简称UCLA）计算机科学系荣誉教授。1973年维达尔教授发表在《生物物理学与生物工程年度评论》上的一篇论文中首次创造了“BCI”概念。从此，“BCI”作为一个“黑科技”术语正式出道，走入了各路学术大咖小怪的视野，开枝散叶、代代相传。
图5 雅克·维达尔Jacques J. Vidal
雅克·维达尔教授出生于比利时的列日（ Liège,Belgium）。列日这个地方位于比利时东部,属于比利时列日省省会，地处欧洲的中心。地理位置如下图所示。
图6 列日 Liège
列日是一个很特别的城市，既现代又古老。曾经作为日耳曼帝国一个独立公国的属地，列日长达8个世纪的历史造就出了“列日”精神，即高傲和顽强。很有意思的是，列日的旅游业虽然不发达，但倘若走在列日街头，触目所及皆是富有历史气息的建筑，仿佛在悠悠地诉说着查理曼大帝的荣耀往事。
图7 瓦隆皇家歌剧院
图8 圣保罗大教堂 Cathédrale Saint Paul
图9 亲王主教宫Palais des Princes-Évêques
另一方面，列日又是一个富有现代气息的都市。这里不仅交通发达，高速公路网与欧洲各大都市相连，“母亲河”默兹河港口条件在欧洲也居前列。经济与产业上，作为历史上有名的纺织、冶金工业区，列日也逐渐向新的多样化工业方向发展，如：电子、生化、飞机发动机、航天、天体物理等。所以，相比较其他欧洲许多城市而言，列日有许多造型特别的现代化建筑，城市整体看上去也让人感觉更有活力。
图10 布埃伦山 Montagne de Bueren
图11 弗拉尼桥 Pont de Fragnée
图12 列日狂欢节
图13 列日居尔曼高铁火车站
值得一提的是维达尔教授毕业的列日大学（Université de Liège）。这所大学成立于1817年，是第一所由国家资助的公立法语国际性大学。小编翘起兰花指一算，也两百多年了。虽然在国际大学排名名次并不是很靠前，基本稳定在200-250之间，但也算是世界高校五百强了。
图14 列日大学 Université de Liège位置
图15 列日大学Université de Liège
图16 Université de Liège
1954年，雅克·维达尔从该校（列日大学）获得了电气工程学位。大家看到了吧，又是一个玩跨界的高手。不仅跨界，维达尔教授的经历那叫一个特别。
大学一毕业，他便加入了比利时空军，过上了一段天马行空的岁月，最后作为比利时预备役第一副队长身份结束其军事任期。开完战斗机后，这位退役的空军中尉又回到了列日大学，穿上西装，拿起教鞭，转型为大学青椒一枚，开启了学术生涯。
既然成了“科研狗”，没有博士学位是不行滴。1961年维达尔获得了巴黎大学（the University of Paris）的博士学位（Doctorate），并于1963年离开比利时前往美国，加入加州大学洛杉矶分校工程学院（theSchool of Engineering at the University of California, LosAngeles）。后来维达尔教授又与其他学者一起创办了该校的计算机科学系，并以该系的创始成员与名誉教授光荣退休。
当然啦，像众多知名教授一样，维达尔教授退而不休,仍继续与研究生们奋战在科研一线。他的招牌课-神经网络与软计算一直深受学生欢迎，经过多次修改和偶尔更名，近三十年来每年都开设,可谓是老当益壮，吾辈之楷模也。
图17 巴黎大学 the University of Paris
图18 加州大学洛杉矶分校（UCLA）
维达尔教授一直对大脑的奥秘感兴趣。1970年，他在加州大学洛杉矶分校脑科学研究所（theUCLA Brain Research Institute）休了一年假，研究哺乳动物前庭系统，并加入了一个由何塞·塞贡多（Jose Segundo）教授领导的研究小组。后来他被选为研究所的常任理事成员。再后来，就自己接项目搞研究，一下子就接到了美国国防部资助的 人机通信项目（BCI project ） 。 按照官方说法， “这是一个大型的、政府资助的、面向未来科学研究的一部分，涉及生物控制论和人机交互。 ” 其中一项成果是首次成功地尝试将脑信号纳入到人机通信中，搞出了所谓的脑机接口系统。
大咖就是大咖，稍微跨个界，就搞出惊世骇俗的东东。 1973年维达尔教授正式发paper,即 《Toward Direct Brain-Computer Communication》 一文。 在这篇学术论文中首次创造了“BCI”这个术语，并搭建了世界上第一个非植入式脑机接口系统。
图19 维达尔教授于1973年发表的论文中首次创造了“BCI”概念
关于脑机接口这个术语，其实还有很多种叫法。虽然都是绕开人的肌肉肢体与外周神经系统，或者按照某位学者（也就是小编俺）的说法，绕开基于言语与行为表征的符号系统，来搭建一个人脑与外界的直接交流机制，但各路学术大咖基于不同学术视角说法不一。
比如杜克大学 的巴西裔神经科学家、 热情洋溢的 N icolelis教 授称为 BMI ，即Brain-Machine Interfaces。 与BCI中的C也就是Computer侧重点不同，BMI更加强调脑与外界包括计算机在内的更广泛机器设备的连接与交互。 其他的叫法还有神经控制接口Neural-Control Interface (NCI)、思想机器接口Mind-Machine Interface (MMI), 直接式神经接口Direct-Neural Interface (DNL)等等。
图20-1 BCI运作模型
植入式BCI与非植入式BCI
“脑机理的研究可以引导我们把生物学和心理学结合起来，形成解释人类行为的新兴学科。”——英国生理学家、诺贝尔生理学和医学奖获得者，埃德加·道格拉斯·阿德里安
维达尔教授创建的脑机接口系统属于非植入式脑机接口系统。而前面介绍的菲兹教授、富有争议的西班牙神经科学家戴尔嘎多教授创建的脑机接口系统都属于植入式脑机接口系统。这两种脑机接口的分类主要是依据电极放置位置以及是否对脑组织造成创伤来加以划分的。
植入式BCI 顾名思义，为了植入电极，需要开“脑洞”的，必然要对大脑组织造成一定的创伤。所以，植入式BCI虽然采集的信号质量更好，但缺点也是很明显的。正常人脑袋上平白无故开个“脑洞”，感觉总是有点小恐怖吧。万一没处理好感染了，那就不好了。
而非植入式BCI因为无需侵入脑组织内部，只需在大脑头皮处采集信号即可,相比之下就安全许多，也更容易为一般人接受。当然，采集的脑神经信号因为颅骨遮挡以及外界环境的干扰，质量就差了许多。打个比方，就好比拿个耳机在一个足球场上方听赛场内吃瓜群众的欢呼声一样，具体谁在欢呼就很难听出来了。而植入式BCI就可以听出具体是哪个人在欢呼。两种系统各有千秋，代表了两种BCI发展路径。
图20-2 三种BCI
除此之外，还有一个半植入或半侵入式BCI，叫做皮层（ECoG）脑电接口，算是上述两者的一个折衷。怎么折衷的呢？顾名思义，半侵入或半植入式BCI，也还是要植入的，只不过相比较侵入式BCI那种一家伙插到大脑皮层里面的极端方式，半植入式BCI一般只穿透颅骨或颅骨下的硬脑膜。用这种方式采集的脑神经信号都是许多神经元集合一起的信号，虽然达不到植入式BCI的那种可以精准到单个神经元的精度，但相比非植入式BCI来说，信号质量明显得到提升，外界环境的干扰也会减少许多。所以，半植入或半侵入式BCI未来看好，也是一个重要BCI发展路径。
图21 头皮脑电局部细节图
图23 一种可植入式ECOG网格（华盛顿大学）
EEG简史
“更高级的哲人独处着，这并不是因为他想孤独，而是因为在他的周围找不到他的同类。” ——德国哲学家，尼采
简单地说完了BCI的分类，我们再来看看维达尔博士搭建的这个世界上第一个非植入式BCI系统的神经生理基础。它实际上是以EEG为基础而开发的。什么是EEG呢？这就要从百年前的一段孤独往事说起了。
在EEG发现之前，科学家们已经对生物电进行了多年的探索。1791年，意大利的路易吉·加尔瓦尼(LuigiGalvani)无意中发现青蛙体内的生物电-BiologicalElectricity。而首先在动物脑记录出电活动的是英国的罗纳德·卡顿(RichardCaton,1875)。他在家兔、猴的大脑记录到直流电位并认为可能与脑机能有关。
图24 意大利医生和动物学家Luigi Galvani
图25 Experiment by Luigi Galvani
图26 Richard Caton, British physician, physiologist
首次发现并精确地描述了人脑电活动的是德国 精神 病学家、精神生理学家汉斯·伯格（Hans Berger，1873-1941）。 他也是脑电图EEG（Electroencephalography，德语是Elektrenkephalogramm）这个术语的命名者。 EEG的发现并最终为世人接受并应用，可以说见证了一位科学家科学精神的伟大与孤独。
图27 Hans Berger ，German psychiatrist。1924年发明了脑电图，并创造了这个名字，同时也是阿尔法波节律（也称为伯杰波）的发现者。
说起Berger教授对EEG二十多年的苦苦追寻与发现，真是一把辛酸泪，还有点*命论宿**或神秘主义的感觉。
Berger教授早年入读柏林大学，学的是跟精神病八竿子打不着的天文学。小编偶然扒到这段鲜为人知的故事时，也是有点懵。幸好，估计那时的Berger教授对天文学实在提不起劲，学了一年后就退学了。退学后，跟本文的男主维达尔教授的经历一样，也跑去当了个兵，算是丰富一下人生。结果当兵时发生了意外，骑马时跌伤。本来当个兵嘛，受个伤挂个彩那是很正常的事了。偏偏发生在Berger教授身上事情就有那么一点诡异了。
话说骑马跌伤的时候，他远在天边的姐姐居然产生了“心电感应”，感觉到Berger有难，非得让Berger的父亲给他拍个电报询问一下。要知道，那个时候（19世纪末）拍个电报可是很贵滴。幸好他老爹是医生，不差钱，立马给Berger拍了一个电报。估计当时Berger收到电报时整个人也都懵了！神了真是！他那年少敏感的内心估计受到了一万点暴击。这让他相信，亲人之间有所谓的自发性“精神感应-MentalTelepathy"。他认为当他处于危险之中，他传出的脑电信号被他姐姐接收到。真是冥冥之中，自有天意啊。这一事件改变了Berger的一生，促使他二十多年来孤独地追求"心灵-Mind与脑"的联系。Berger因此加入Jena大学（耶拿大学，始建于1558年，是德国最为传统、古老的大学之一。），改学医，想找到与精神活动相对应的脑电信号，或所谓精神能量的生理基础。
图28 弗里德里希·席勒-耶拿大学
Berger教授真的很不容易！二十多年的实验一直都不是很顺利。搁一般人，真的早就放弃了。但不知是不是真的受到了冥冥之中天意的指引还是对科学真理的坚信，最后终于在1924年当他把两根白金针状电极通过头部外伤患者的颅骨缺损部插入大脑皮层时，第一次在人脑成功地记录出有规则的电活动。那天是1924年7月6日。
在第一次记录到人脑电波之后，Berger教授很沉住气，又等了五年，直到1929年随着技术改善波形清晰后，他才发了第一篇有关人脑电图的paper。五年才发了一篇paper!呵呵，开什么玩笑？搁今天三年一考评，分分钟让他下岗！更让Berger教授郁闷的是，当时他的德国同行都不认可他的这一发现，认为Berger大搞歪门邪道。大咖就是大咖呀！Berger教授咬定青山不放松，认死理，不但不动摇，还一口气发了14篇有关脑电图的论文。一直到1933年，英国的著名生理学家埃德加•道格拉斯•艾德里安（EdgarDouglas Adrian）重复了Berger教授的工作并承认了他的成果以后情况有了变化。
图29 英国著名生理学家Edgar Douglas Adrian（对！就是这么帅！ ）
Adrian在当时设备最完善的剑桥大学生理学研究室同B.Mathews一起研究了脑电图，确认了Berger所提出的α波和β波，并提议将α波称为“Berger节律”，但被Berger本人所拒绝。
Berger有关脑电图的研究被Adrian等人所肯定以后，脑电图的研究有了急速的发展，并被推广到全世界范围。令人感到讽刺的是，Berger教授虽然因为EEG的发现而闻名于世界，但其研究成果在其祖国-德国却不受待见。到了1938年的时候，自己的研究成果好不容易为世人（学术界）所接受，正待大展雄图，好好施展一番拳脚的时候，二战开始了。不但说好的访美计划被搁浅，甚至脑电图研究被当时的纳粹政权所禁止。屋漏偏逢连阴雨！没过多久，Berger教授直接被迫退休。退休后的Berger教授情绪更加低落，心脏也不好，又有严重的皮肤感染。1941年6月1日在他工作多年的医院里，这位终其一生来探寻“心灵与脑的关系”的老科学家上吊 自杀 身亡。 唉！ “知音少，弦断有谁听”,“赢得生前身后名。 可怜白发生！ ”
图30 Berger和他女儿Ilse的脑电图
Berger教授去世后，他发现的脑电图-EEG及相关电生理技术被迅速推广，在美国、英国和法国等国进入了临床诊断，成了当时 神经系统 疾病、癫痫、脑肿瘤、脑外伤等疾病诊断和治疗的重要工具。 20世纪60年代，随着计算机技术的出现与应用，极大地提高了EEG的精度，EEG再次焕发出强大的潜力，并成为本文中维达尔教授搭建BCI系统的神经生理基础。
图31 EEG
EEG ，英文是Electroencephalogram，相当长的一个单词。EEG是其简称。一般称为脑电图。它实现的生理基础是大脑活动时在大脑皮层或头皮可观测到的一种有节律的放电活动。不过这种放电活动可不是一两个神经元来完成的，而是一种“宏观”的放电现象：即神经元集群的自发性、节律性电活动。简单来说，人在干不同事情时，会放不同的“电”。清醒状态时的α波，睡觉时的δ波，约会时被幸福闪电击中的β波。等等。当然啦，脑电波很微弱，而且容易受到干扰，挤个眉（肌电干扰）、弄个眼（眼电干扰），打个喷嚏放个屁啥的，都会造成干扰。外界环境、实验器材等产生的工频干扰、噪音干扰也不可忽视。所以，必须用专用的脑电记录仪与贴在头皮上面的电极才能测量到清晰的脑电波。
图32 脑电图电极对应图
图33 国际10-20系统(the 10-20 international System)电极放置法
另外，脑电波同步节律的形成还与位于大脑深处的一小块重要区域—皮层丘脑非特异性投射系统的活动有关。简单来说，丘脑出了啥问题，那么脑子就开始乱放电了。乱放电显然不太好。总结一句话，脑电波属于脑科学的基础理论研究，脑电波的监测也广泛运用于其临床实践应用中，当然也包括用来改善丧失行动能力的瘫痪病人或伤残人士自主活动能力的BCI应用中。
图34 皮层丘脑非特异性投射系统
图35 脑电信号的检测
脑电波是一些自发的、有节律的神经电活动，其频率变动范围在每秒1－30次之间的，可划分为四个波段，即δ（1－3Hz）、θ（4－7Hz）、α（8－13Hz）、β（14－30Hz）。除此之外，在觉醒并专注于某一事时，常可见一种频率较β波更高的γ波（gamma，读作伽玛），其频率为30~80Hz，波幅范围不定；而在睡眠时还可出现另一些波形较为特殊的正常脑电波，如驼峰波、σ波、λ波、κ-复合波、μ波等。
图36 脑电图各个波段
图37 *四代第**数字脑电仪
δ波（delta，读作得尔塔）
频率为1~3Hz，幅度为20~200μV。当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡或麻醉状态下，可在颞叶和顶叶记录到这种波段。
θ波（theta，读作西塔）
频率为4~7Hz，幅度为5~20μV。在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中这种波极为显著。但此波为少年（10－17岁）的脑电图中的主要成分。
α波（alpha，读作阿尔法）
频率为8~13Hz（平均数为10Hz），幅度为20~100μV。它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激时，α波即刻消失。
β波（beta，读作贝塔）
频率为14~30Hz，幅度为100~150μV。当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波，当人从噩梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。
EEG是人脑在自然状态下产生的自发性电位，广泛应用于神经科学、认知科学、认知心理学和心理生理学研究中。EEG具有较高的时间精度(temporalresolution)，可以检测毫秒级的电位变化，但空间精度(spatialresolution)则相对较差。在其基础上通过特定技术手段诱发形成的ERPs（事件相关电位）与SSVEP（稳态诱发电位）是非植入式BCI常用的几种EEG模式。
现在常见的EEG-BCI系统主要包括：P300、运动想象（MI）和稳态视觉诱发电位（SSVEP）。实际上，以上几种脑电模式并非单独被当作脑端信号源使用，而是被组合使用，甚至会纳入一些非脑电信号，如肌电信号（EMG）和眼电信号（EOG）。这种组合的BCI系统可以被称为混合BCI（Hybrid-BCI），如神经智能假肢系统。
图38 P300，是在事件(如听觉、视觉刺激)发生后大约300ms出现的一个正向波
图39 运动想象MI—BCIs
图40 MI-BCIs
图41 SSVEP-BCIs和混合BCI（Hybrid-BCI）
第一个非植入式BCI系统
“这些可观察到的大脑电信号能在人机通信中作为信息的载体工作吗，或用于控制诸如假肢装置或宇宙飞船之类的外部设备吗？”——雅克·维达尔
了解完了EEG之后,我们再回来仔细地看看维达尔教授创建的人类第一个非植入式BCI系统是啥样子吧。LOOK！就是这个样子。
图42 维达尔教授创建的第一个非植入式BCI系统
怎么样？有没有点头晕眼花的感觉？反正小编第一眼看上去的时候大脑短路了0.3秒！不过仔细一想，在70年代计算机技术刚刚起步、生物学研究手段与方法还比较落后的年代，对于从EEG这种微弱的且有着大量噪音与干扰的脑神经信号中提取出一点有价值的东东来说，也只能这样“*力暴**”建模了。
我们还是简单来看看图吧。 从左往右，这个BCI系统大致分为实验区（experimentroom）、控制区（controlarea）以及计算区（computerarea）。 基本原理是通过提取从头皮记录到的、位于视觉皮层上方的视觉诱发电位（VEP），来确定眼睛注视的方向（视觉注视点），从而确定受试者希望移动光标的方向，进而可以控制光标在二维迷宫中进行“上下左右”的移动。 大家看看最左下角那个脑袋上被“插”了三根“钉”的受试者。 他似乎“安详”地靠在实验室的椅子上，眼睛盯着类似因故障而产生雪花斑点的屏幕。 当然这个屏幕并没有出什么故障，而是正在给被试者提供特殊的视觉刺激，来诱发实验人员所需要的视觉诱发电位（VEP）。
图43 确定脑电信号的采集点
图44 用来刺激受试者的刺激目标。用户观看一个钻石形状的红色棋盘，棋盘上闪烁着氙气。通过关注闪烁棋盘的不同角落，他们可以生成上下左右的命令，使他们能够在图形终端上呈现的迷宫中移动。
我们再来看看中间控制区一堆密密麻麻、形状各异的设备。这些设备的作用我们看看如下的一张图，可能更一目了然。
图45 中间控制区
怎么样？看明白了吧？没错，无论是脑电信号的输入、反馈与输出，还是数据的处理与各实验设备的同步，都需要它的控制来协调。图42最右边部分主要是数据的存储与计算。其中的IBM360主机负责将数据数字化，XDS-Sigma7计算机控制实验事件。
受试者首先提供数据训练线性判别函数，然后实时在线导航迷宫。因此，该实验采用信号处理技术，以最小平均值实现脑电的实时分析。鉴于数据量的巨大，该系统使用的是当时世界上最先进的存储计算系统。毫无疑问，这个非植入式BCI系统是相当费银子的。摘录一下原文的描述，大家可以感受一下。
“受试者通过一个特殊设计的屏蔽外壳进行监控，该外壳包含各种输入设备和输出显示器。实验者坐在一个相邻的房间里，里面有各种计算机的控制终端，以及脑电图和其他生物信号的记录设备。这种安排允许受试者、实验者和计算机之间的相互作用，以执行复杂的任务并将反馈信息带给受试者。”
图46 迷宫图（实时事件相关电位即ERP分类实验迷宫反馈显示），受试者利用脑电信号来移动图中的三角形，玩走迷宫的游戏。
维达尔教授搞的这个人类第一个非植入式BCI系统虽然看上去极为复杂，但该系统得以实现的神经生物范式还是上一篇文章中华盛顿大学的菲兹教授所采用的操作性条件反射范式。在维达尔教授那篇开创性的论文中被称为“操作性条件反射神经事件（OCNE）”。使用这种类型的范式将在行为（外周）事件和所选择的神经电电位之间建立可靠和稳定的对应关系。对于“神经事件操作性条件反射的新作用”，维达尔教授“提出了第四种功能：即作为控制外部过程的手段，例如计算机或假肢装置。”
图47 A closed-loop 'bi-directional brain-computer interfaces' (BBCIs)
在这篇论文的结论部分，维达尔教授对他提出的“BCI”概念的可行性进行了总结。他写到，“传播（基于EEG的人机通信）概念的可行性取决于三个基本假设。”
第一个假设是人的意识活动某种程度上可以从头皮记录到的脑电图中探测出来。
第二个假设是上述有意义的脑电信号可以通过分析而得以提取出某种意图或指令（意义）。
第三个假设是借助操作性反射范式可以让实验所需要的EEG信息更加可靠与稳定。
最后，维达尔教授预测到，“正如读者无疑意识到的那样，直接的脑-机通信仍有一定的前途。即使是本文中概述的相对温和的实验项目，也可能需要几年时间才能成熟，届时可能会出现新的方向。”
图48 电影《Total Recall》里的脑机融合场景
图49 电影《黑客帝国》中的脑后插管场景
多年以后（2011年），在the University of Graz（格拉茨大学，奥地利第二所最古老的大学）的一间教室里，一位带着浓重法国口音的老科学家结束了他题为“BCI”的演讲，他说： “（BCI）已经取得了相当大的进展，但进展缓慢，仍然是一个有很多东西要探索的领域。令人欣慰的是，有这么多的实验室已经开花，出现在不同的地方。这就给我们留下了一个很好的希望，那就是真正有价值的东西不久就会露面”。 这位科学家正是来自加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔教授。
图50 Jacques J. Vidal（左1） and his wife, at the 5th International BCI Conference 2011 (Graz).
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