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2001年，《麻省理工科技评论》曾将脑机接*技口**术视为将会改变世界的十大新兴技术之一。20年后，特斯拉创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的脑机接口公司Neuralink 向外界展示了将脑机接*技口**术运用于灵长类动物（一只9岁的猕猴），使其经过训练后能够用意念操控电子游戏的实验成果。马斯克对脑机接口的憧憬引起了世界范围内的关注与热议。
一、脑机接口简介：从科幻照进现实
1929年，德国精神病学教授汉斯·贝尔格（Hans Berger）借助置于头皮上的电极首次成功地测量到人类脑部的电活动，奠定了脑电图（electroencephalogram，EEG）技术发展的里程碑。1938年，美国神经学家赫伯特·贾斯珀（Herbert Jasper）在寄给贝尔格的一封节日问候信中，畅想了EEG 信号用于通信领域的可能性，这被认为是对脑机接口的早期描绘。人们通过大脑信号而不是肌肉来行动的可能性吸引了科学家和非科学界人士的关注。1966 年首播的美国影视系列《星际迷航》中的Pike 舰长因患有闭锁综合征，只能通过脑电波与外界交流。这一场景在当时被认为是一种科幻叙事。如今，脑（包括动物脑、人脑）- 机（计算机、手机、耳机等）的连接已经突破了科幻题材中的想象，逐步走向公众视野。
脑机接口（brain-computer interface，BCI 或brain-machine interface，BMI，本文简称BCI）这一术语在20世纪70年代由美国科学家雅克·维达尔（Jacques Vidal）首次提出，用以描述能够产生关于脑功能详细信息的基于计算机的系统。20世纪90年代以来，脑机接口的研发受到了国内外科技界的高度关注，并逐渐成为全球各国科技竞争的战略高地。简单来说，这项技术是指能够提供大脑与外部设备之间信息交换的通信系统与连接通路，并且这种连接不依赖于外周神经和肌肉组织等神经通道，能够实现大脑与外界信息的直接传递。通过检测中枢神经系统活动并将其转化为人工输出的系统，脑机接口能够“替代、修复、增强、补充或者改善中枢神经系统的自然输出，从而改变中枢神经系统及其内外环境之间的交互作用”。图1展示了这类输出式脑机接口（即“从脑到机”的神经信号传输方向）可操控的以上五类应用。
图1 脑机接口系统的基本设计和操作
除此之外，广义上的脑机接口还包括输入式脑机接口（“从机到脑”），通过电或磁刺激大脑，提供感觉反馈或修复神经功能。整体来看，脑机接口的实现通常涉及下述一个或多个处理步骤。
1） 采集、记录脑信号 。其中，信号的采集方式通常可分为侵入式、半侵入式与非侵入式（脑外/ 无创）。
2） 信号解码处理 。应用伪迹去除和特征提取技术，将采集到的原始脑信号进行预处理。
3） 模式识别和机器学习 。利用机器学习技术，根据输入信号模式产生控制信号。
4） 感知反馈 。由脑机接口产生的控制信号作用于环境（如移动假肢或轮椅），获得环境反馈信息后再通过传感器向大脑提供直接的反馈，即“双向脑机接口”。
5） 刺激信号处理 。在刺激某个特殊的脑区之前，创建一个刺激活动模式来模拟该脑区的常见活动，并使用能够产生正确刺激模式的信号处理技术（和潜在的机器学习技术）。
6） 脑刺激 。利用侵入式或非侵入式的刺激技术，把从信号处理环节接收到的刺激模式用于刺激大脑。
作为一个跨学科交叉融合的研究领域，脑机接口涉及神经科学、认知科学、生物医学工程、材料科学、电子工程、计算机科学、人工智能等多个学科，在医疗康复、人机交互、智能环境以及军事等领域具有良好的发展前景。鉴于脑机接口具备恢复和提升人的认知和行动能力的巨大潜力，美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区的脑计划纷纷部署脑机接口的发展规划，倾力加紧相关研究，抢占科技制高点。2018 年，美国商务部工业安全局（Bureau of Industry and Security，BIS）将脑机接口纳入出口管制技术框架中。中国也力争上游，在“一体两翼”脑计划中提出，要以研究脑认知的神经原理为“主体”，以研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”，将脑科学与类脑研究上升为国家战略。
二、脑机接口的应用和发展前景
脑机接口能够直接实现大脑与外部设备的交互，创建了本质上不同于自然输出的新的中枢神经系统输出，因此在医疗领域有很大的发展潜力。例如，辅助性脑机接口能够获取肢体运动障碍患者的运动意图，助其控制假肢等外部设备。2020年，浙江大学相关研究团队与浙江大学医学院附属第二医院合作，完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究，使患者可以通过脑机接口控制机械臂与机械手实现三维空间的运动。此外，在意识与认知障碍的诊疗、神经和精神疾病的康复治疗以及感觉缺陷诊疗等领域，脑机接口也有广泛的应用。特别是在神经疾病方面，我国神经系统疾病人群数目庞大。脑性瘫痪发病率为1.84%，老年脑病患者占老年人口总数的10%。这一数目庞大的病患群体对社会和家庭产生巨大的压力，对这类人群的治疗和医疗改善是医学界的迫切需求，而脑机接口正在这一领域发挥不可替代的作用。目前，医疗健康是脑机接口最主要的应用领域。
随着计算机数据处理和建模能力的提升，非侵入式脑机接口设备日趋成熟，脑机接口迎来了新的机遇和商机。近几年，商业化脑机接口市场逐渐兴起，这类直接面向广大消费者出售的脑机接口（主要是非侵入式的）产品也被称为消费级产品。例如，“Muse”脑波检测头环、“Focus专注力提升设备”等教育、娱乐和休闲产品，以提供新奇的人-机交互体验为卖点，宣称有助于冥想和放松、提升健康人群的专注力和记忆力等。相关市场调研报告显示，2020~ 2027年，全球脑机接口市场预计将以约13.8% 的复合年增长率增长，到2027年，市场规模将超过34.763亿美元。对于中国市场来说，消费级脑机接口的发展起步较晚，产业链建设不完善，尚需建立健全行业标准，对产品的安全性和有效性进行规范、合理的认证。
除了单一模态的脑机接口之外，国内外相关研究团队正在研发混合脑机接口（hybrid brain-computer interface，HBCI，又被称为多模态脑机接口），以使脑机接口能够兼容肌电、心电、皮电等电生理信号，从而获得多维的个体数据，全面提升HBCI系统的功效。科学家还试图通过网络传输神经信号实现“脑-脑接口”（brain-to-brain interface，BBI），以便在共同执行某项复杂工作任务的所有成员之间分配认知负荷，提高团队工作效率。甚至是借助神经纳米机器人，将脑电信息通过光纤无线传输到基于云的超级计算机，用于实时监测大脑状态和提取数据，形成“脑-云端接口”（brain/cloud interface，B/CI）。此类脑机接口的研发以实现人类增强（human enhancement）为目的，旨在提升健康人群的认知能力和体能，可以被看作增强型的脑机接口。尤其是在军事领域，增强型的脑机接口有望大幅提高*队军**作战能力，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）为脑控外骨骼、脑控飞机等军事研究提供了大量资助。然而，鉴于脑机接口这一交叉研究领域目前还面临着植入大脑材料的生物兼容性问题、神经编码的具体方式等技术挑战与科学上的不确定性，距离全面提升人的各项能力，还有相当漫长的路要走。
以上分别概述了治疗型、消费级和增强型这三种不同类型的脑机接口应用和发展的前景。迫切的医疗需求、强有力的政策支持以及人们对人类增强的憧憬推动着脑机接口不断创新和前进。然而与脑机接口相关的临床实践和科学研究却可能导致充满不确定性的伦理后果。
三、脑机接口的伦理问题
脑机接口具有与其他生物医学技术相似的伦理问题，如安全问题、如何权衡风险-受益、患者的知情同意以及社会公正问题等。大脑与人类情感、记忆、学习等感知、认知和运动功能息息相关，是控制人类思维和一切行动的特殊器官。脑机接口涉及对人脑的直接监测与操控，具有深刻影响人的心灵和行为的潜力，因此脑机接口的应用和发展可能引发一些特殊的伦理问题。鉴于篇幅有限，下文着重讨论这些较为特殊的伦理问题。
1）脑机接口在临床治疗中可能会产生一系列副作用，影响患者的自主性（autonomy）、自我观念甚至改变患者的人格。
2019 年，澳大利亚伦理学家弗雷德里克·吉尔伯特（Frederick Gilbert）发表了一项采访脑机接口临床试验参与者的真实案例研究。
吉尔伯特访问了6名首次参与脑机接口临床试验的癫痫病患者，以便了解脑机接口会对患者的心理造成何种影响。通过植入患者脑部表面的电极可以帮助他们及时发现癫痫发作的迹象并向手持设备发送信号。患者一听到该设备的警告，就知道要服用一剂药物来阻止即将到来的癫痫发作。其中，3号患者认为脑机接口设备的植入使其经历了痛苦，感受到无法控制自己，并且加重了该患者的抑郁症倾向。6号患者则认为术后的自己获得了一种“新的身份”，脑机接口设备的植入提升了她的自控能力，该患者变得依赖脑机接口设备，并将其视为自己身体的“一部分”。吉尔伯特将其与脑机接口的关系描述为一种“共生关系”。然而，当提供脑机接口设备的公司破产后，临床试验也被迫终止了。6号患者悲惨地说：“我失去了自我。”
根据上述案例，脑机接口在人体中的植入一方面可以提高患者的控制感；另一方面也可能加重患者的痛苦，导致失控感和自主性的削弱。实际上，在上述案例中，3号患者的情况并非个例。在以往关于深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）的病例报告中，虽然这项技术通常是安全的，但有时也会对患者的心理和行为产生负面影响。例如，使患者产生不同程度的“疏离感”（认为自己不再像以前的自己了），使患者变得性亢奋从而改变了患者的行为甚至人格，等等。大脑的结构和功能高度复杂，目前在临床治疗中，人们对DBS 等技术干预大脑的后果尚不完全清楚，从认知科学的角度来看，也存在着未知和不确定性。因此，我们必须在审慎开展脑机接口相关技术应用的同时，对涉及大脑干预的技术应用进行充分的伦理评估，推动脑机接口的“负责任研究与创新”。
2）脑机接口产品在健康人群中的使用和推广引发了关于公众隐私泄露的担忧和争议。
隐私问题之所以特殊，就在于通过EEG 等“读脑术”（brain-reading）从人脑中所获取的信息是否承载了个体内心的隐秘想法等敏感信息。实际上，就当前的技术进展而言，读脑术有其局限性，读脑并不等同于“读心”（mind-reading）。借由读脑术推断出与大脑活动对应的心灵活动，只是一种预设或者假说，所能揭示的心理活动是有限的，且只能说明个体的某种行为与某种心灵状态的相关性，并不能表明何种心灵状态就是这一行为的真正原因。受限于成本和技术水平，当前的消费级脑机接口产品所能获取和解读的人的心理内容是十分有限的，仅能显示一些与用户的情绪（如高兴或沮丧）、注意力集中水平、疲劳程度以及睡眠状态相关的个人信息。然而人类心灵状态中的高度抽象的内心活动，如“爱”和“恨”等很难被对应到大脑的活动状态上来。
此外，通过EEG 设备收集的用户脑数据存在意外泄露及其两用性（dual-use）的可能性。一些学者担心，出于神经营销（neuromarketing）或其他目的，运营商会在用户并不知情，或未明确表示同意的情况下，将收集到的用户数据出售给第三方，或与对此类数据感兴趣的个人/ 部门（如雇主、执法部门等）共享用户数据。甚至未来可能出现通过用户所持有的脑机接口设备，对佩戴者进行恶意人身攻击的风险。此种担忧也被称作“神经黑客攻击”（neurohacking）。随着消费市场的扩张，功能更强大的脑部传感器与更复杂的算法将有可能获取更丰富和多元化的脑部数据，神经隐私（neuroprivacy）及其法律保护不容忽视。
3）随着脑机融合的技术突破，人- 机的边界问题以及本体论层面的“人”的概念就成为人们不得不思考的问题。
如果在未来，脑机接口成为人的身体的延伸，人类操控机械臂之类的外骨骼就像使用自己的手臂那样，这是否会改变人的自然属性？脑机接口可能会使大脑得以从身体的局限中“解放”出来，延展到另一个身体-大脑，进而延展到外部世界，形成新的“身体图式”，毫不费力地扩展体能、感知和认知能力。当大脑超越了“身体”的边界，我们该如何看待大脑与身体的关系？这是否会导致人的主体性的消融？当脑机接口与VR、AR 等技术结合到一定程度时，人们是否会超越现实生活世界的维度进入“虚拟世界”？正如电影《头号玩家》中所展示的那样，如果仅凭意念便可以进入另一个社会，那么如何确定真实与虚假的边界？究竟哪个世界中的我才是真实的“我”？
在种种关于脑机接口人类增强的远景讨论中，不乏消极、恐惧的“末日”隐喻渲染。然而对于此类担忧，神经生物学家米格尔·尼科莱利斯（Miguel A. Nicolelis）持反对观点。他对脑机接*技口**术的未来充满期待，认为相较于智能机器将模拟、超越并主宰人类大脑之类的诸多担忧，环境破坏、传染病、核战争等任何一项风险都超过了脑机接口失控的技术风险。就目前的科学事实而言，囿于人类大脑的复杂性与重重技术难关，通过脑机接口突破人的“类本质”，只能视为遥远的设想。但对于脑机接口的未来走向，我们仍需谨慎面对。
四、结语：加快推进脑机接口的负责任发展
脑机接口能够实现中枢神经系统与体内或体外设备之间的直接交互，这也使得通过脑机接口恢复或增强人的体能和认知能力成为可能。尽管当前脑机接口的开发还处于起步阶段，但它在医疗和人类增强方面具有光明的前景。与此同时，脑机接口的现实和潜在应用也可能导向一些特殊的风险和伦理问题。对此，国内外学术界均出现了呼吁出台伦理准则、制定监管措施和立法的声音。2017 年， Nature 发文指出了以脑机接口为代表的神经科学和人工智能所面临的隐私和知情同意、人的能动性和身份、人类增强、算法偏见这四个首要的伦理挑战，并强烈建议制定国际和国家级的指导方针，对增强型神经技术划定界限，确定这些技术的使用范围和背景（类似于对基因编辑所采取的措施）。该文特别建议对神经科学的军事研发和应用进行严格的管制，明确红线和底线。除了确立脑机接口发展的伦理准则之外，还有必要借鉴“预防原则”，前瞻性地从法律层面考虑如何完善与脑机接*技口**术运用相关的法律、法规。虽然立法过程往往是漫长的，但如果我们仅仅等待Facebook 或Neuralink 所开发的一些脑机接口产品进入市场，那么为此类新兴神经技术画定红线可能已经为时已晚。在高度互动和侵入性的未来数字世界中，完善的技术监管对于个人和集体的尊严以及我们对自由意志、真实性和自主性的理解至关重要。
本文摘编自《2021高技术发展报告》（中国科学院编，2022年5月出版）第五章，文章作者是北京大学马诗雯、周程，内容有调整。语音播报为智能生成，如有疑问请以文本为准。科学创造未来，人文温暖世界。在科技引领发展的时代，与您共同关注科技史、科技哲学、科技前沿与科学传播，关注人类社会的可持续发展。科学人文在线，创造有价值的阅读！欢迎关注、点赞、留言、转发、参与赠书活动，联系邮箱：kxrw@mail.sciencep.com。
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