隨著神經工程與訊號處理技術的發展，人腦與外部裝置的直接連接正在從科幻走向現實。在神經活動與數字系統間建立通訊通路的腦機介面（BCI）技術，不僅應用於醫療輔助與軀體功能重建，更引發了關於感知、意識及控制方式的全新探討。自1924年首次記錄人類腦電波活動以來，人類對大腦的探索已走過百年曆程。無論是腦電技術的探索，還是腦機介面的應用，技術躍進的背後都暗藏著對文化的思考和追問。作為科學與文化的碰撞，人腦的百年“進化”正在倒逼我們重新審視“大腦”和“思維”的作用。2025年底，清華大學科學博物館主辦了“科博文化周”活動“介面中的我：腦機介面與意識的未來”，聚焦腦機介面技術在科學、藝術與認知領域的交叉探索。清華大學長聘教授、中國神經工程及腦機介面學科的主要建立者高小榕作《腦電百年與腦機介面》報告，《中國科學報》記者趙宇彤根據報告內容整理如下。高小榕。科學與文化的交匯腦機介面是人機互動的特殊形態，可以直接從大腦提取訊號控制外部裝置，替代、恢復、補充或改善大腦的功能。而腦電技術則是腦機介面最核心、最主流的訊號採集與處理基礎。1924年，德國精神病學家漢斯·伯傑首次記錄了人腦的能量活動，這種能量活動後來被命名為腦電波。那張腦電波記錄圖也成為人類歷史上第一張腦電圖。人類歷史上首個腦電波記錄圖。受訪者供圖實際上，漢斯·伯傑的研究動機源自一個看似“靈異”的事件。漢斯·伯傑是個富二代，非常聰明，大學時攻讀當時“最牛”的專業天體物理學。德國的大學生需要軍訓，他在行軍途中受傷，住院後意外接到家人的慰問電報。原來是他妹妹出現“心靈感應”，晚上做夢時“感應”到哥哥受傷了。漢斯·伯傑聯想到他13歲在巴西旅遊時，曾被電鰻電到的經歷，就琢磨是不是自己和妹妹的腦子裡有跟電鰻一樣的通訊工具，能實現電訊號的傳輸？於是，他轉專業去學醫學，研究腦電問題。在一次對17歲少年的神經外科手術中，漢斯·伯傑終於捕捉到了腦電圖的雛形。然而，記錄的圖片十分粗糙。他又在自己和兒子身上進行多次實驗，才得到這張來之不易的腦電圖。1929年5月，關於腦電圖的第一篇論文《人類腦電圖的使用》出爐，發表於《精神病學檔案》。這篇論文報導了1924年記錄的腦電圖波形，上方描記為腦電訊號，下方為10Hz定時訊號，每次受試者閉眼時都會出現10Hz的訊號，可以看出有很強的周期性α（阿爾法）波成分。正是基於這首張腦電圖，1938年，美國神經學家赫伯特·賈斯珀在寄給漢斯·伯傑的聖誕賀卡中，暢想了從腦電波中解碼出語言的可能性。這被認為是對腦機介面的早期科幻式的描繪。其實，腦電技術的萌芽，乃至人類的發展都離不開科學與文化。這裡的科學指的是生物層面的探索，文化則是社會層面的觀察。而在19世紀20年代，有關科學與文化的爭論正如火如荼地開展。1922年，愛因斯坦與亨利·柏格森開啟了一場“時間”之爭。時間究竟是客觀存在，還是人類的幻覺？愛因斯坦認為，只存在一種物理時間，且時間與空間相互關聯、相互影響，它們共同構成宇宙的基本結構。而在柏格森看來，物理時間之外尚存在哲學時間，他在《創造進化論》《時間與自由意志》中多次舉例，假設想要調製一杯糖水，不管再怎麼著急也沒用，必須等待砂糖在水中溶解，而不管是一杯水，還是一片大洋，糖塊擴散的速度是相等的，這揭示了時間與空間的根本異質性：時空是兩種根本不同的存在形式，不能相互還原。1923年，東方也上演了一場科學與文化的碰撞，即“科玄論戰”。以梁啟超為代表的玄學派和以胡適為代表的科學派，圍繞“科學的邊界是什麼”的話題開展熱烈討論，促進了當時學者對科學與文化之關係的深入思考。不難看出，科學和文化共同構成了人類發展的堅實基礎，儘管二者基本遵循兩條不同的路徑，但其中一定存在交匯點。恰好，腦電技術就是其中之一。腦電百年的三件“大事”儘管1924年漢斯·伯傑就已經首次記錄了人類腦部的能量活動，但對當時大多數人而言，腦電波仍然是一個陌生的領域。直到1934年，美國神經科學家赫伯特·H·費希爾和亞伯拉罕·洛溫巴克首次在癲癇患者腦電圖中發現特徵性棘波，這是腦電圖研究的第一件大事。1935年，美國科學家弗雷德里克·A·吉布斯、霍洛韋爾·戴維斯和威廉·G·倫諾克斯描述了3Hz棘慢復合波，成為癲癇診斷的金標準，開創了臨床腦電圖新領域。腦電技術的發展對文化有極大的促進作用，過去人們大多認為，癲癇發作是“魔鬼附身”，而腦電技術則證實，那實際上是大腦活動存在異常。1936年，全球首個腦電圖實驗室在美國波士頓的麻省總醫院成立，這是腦電圖從科學研究邁向臨床應用的關鍵里程碑。又經過近20年的發展，1953年，腦電圖幫助人類發現並明確了快速眼動睡眠期的存在。其實，快速眼動睡眠就是做夢，人類在做夢時腦電波會有相應變化。過去，我們只能知道一個人是否處於睡眠狀態，但對方有沒有做夢無法確定。人是一定會做夢的。而借助腦電圖的監測，我們發現了睡眠周期和不同睡眠階段的特徵性腦波。比如，慢波睡眠大概1小時，快速眼動睡眠約半小時。整夜會經歷4~6個睡眠周期。但不同人群的睡眠情況不一樣。事實上，做夢的時候思維能力是白天的1.5倍。儘管從理論上看，夢境是可以被誘導的，在睡夢中播放英語單詞，記憶的效果會更好，但由於睡眠狀態下沒有主觀判斷能力，因此這也存在倫理的爭議。但無論如何，睡眠研究是腦電圖應用的第二件大事。彼時，中國也開始了對腦電技術的探索。1955年，中國癲癇和腦電圖學的創始人、北京協和醫院的馮應琨教授建立了全國首個臨床腦電圖實驗室，1957年舉辦了全國首屆腦電培訓班，後來他又編寫了《腦電圖學》和《腦電圖圖譜》等圖書資料，並在全國推廣。在腦電技術的發展脈絡上，儘管東西方都開始了摸索，但始終沒有統一的規範。直到1958年，國際臨床神經生理學聯合會制定了國際10~20電極系統，這是一種國際公認的方法，共包含21個電極，用於在腦電圖檢查或腦電研究中描述和應用頭皮電極的位置。相當於在大腦中劃出經緯線，對不同腦區進行規範化的區分。又經過30年的發展，科學家發現了α腦電波。這是大腦產生的四種基礎腦電波之一，通常在清醒閉目、身體放鬆且大腦活躍時出現。1988年，科學家第一次使用α腦電波控制機器人。機器人會根據受試者的α腦電波活動，沿著一條直線行走或停止。受試者放鬆、閉上眼睛時，α腦電波活動增加，機器人就會行走；而睜開眼睛後，機器人就會停止。縱觀腦電技術的百年曆程，癲癇診斷、睡眠研究、機器人控制是三件繞不開的“大事”，而最後一件“大事”，也就是我們今天所說的腦機介面。腦機介面：從科幻到現實腦機介面的發展離不開“三駕馬車”：腦資訊採集、電腦科學及訊號分析技術、神經科學等學科的相互影響。當歷史的車輪來到1973年，美國電腦科學家雅克·維達爾正式提出了腦機介面的概念與設想。1988年，美國科學家勞倫斯·法韋爾和伊曼紐爾·唐欽首次使用腦電ERP（事件相關電位）中的P300成分，通過行列閃爍編碼範式設計了第一套P300 speller系統，產生了P300-BCI範式。1991年，美國科學家喬納森·沃爾帕訓練使用者自我調節mu節律（腦電圖中一種典型的正常變異波形）的幅值，通過mu節律幅值的變化實現游標的一維控制；1993年，奧地利科學家格特·普弗策勒等人建構了基於感覺運動節律的事件相關去同步（ERD）電位、事件相關同步化（ERS）電位的腦機介面系統，在運動任務和運動想像中發揮重要作用。近年來，基於穩態視覺誘發電位的腦機介面，由於其高資訊傳輸率、零訓練和低腦機介面盲率，可以幫助包括漸凍症患者在內的人群實現便捷打字，受到了越來越多的關注。事實上，這項探索在1999年就開始了。當時，德國圖賓根大學的神經學者尼爾斯·比爾鮑默等利用慢皮層電位幅度變化控制游標一維運動。這是第一次在病人身上做腦機介面實驗，花了1天多時間，病人打出了1條完整的資訊。同年，清華大學團隊開發了四目標SSVEP（穩態視覺誘發電位）腦機介面，並將其用於控制游標移動。為什麼我們能這麼早取得這一成果？實際上，1995年，我們曾接過一個項目，航天員在上天完成任務之前，都需要進行太空環境適應訓練。訓練時使用最多的機器是離心機，由於其具有高強度的重力加速度，受訓人在訓練時通常來不及喊停就會陷入眩暈。我們的工作就是在離心機實驗環境中，檢測受訓人的大腦意識狀態，通過腦機介面系統判斷受訓人是否清醒。這也是中國第一個腦機介面實驗。目前，腦機介面形式分為侵入式、半侵入式和非侵入式3種，其中非侵入式研究佔比超80%，但侵入式研究採集的神經元訊號最強。腦電訊號採集裝置從20世紀三四十年代的真空管放大器，逐步發展為便攜、可穿戴、無線通訊的隱秘穿戴裝置。從功能上看，主要是康復和替代兩類。現在大家對這兩種類型有些混淆，比如利用機械臂完成喝水動作，其實是替代功能，而只用自己的肌肉來做這一動作，才是康復。目前，腦機介面可實現打字（T）、寫字（W）和說話（S）三大類人機互動（TWS），侵入式和半侵入式腦機介面均能實現TWS三項功能。現在，出現了更多腦機介面的應用嘗試。比如，“北腦一號”柔性高通量半侵入式無線全植入腦機介面，128通道同時實現資訊採集。2023年5月，《自然》發佈的一項最新研究指出，一種“腦-脊髓介面BSI”技術——由一個植入的記錄和刺激系統組成，能連接大腦和參與行走的脊髓區域。為了促進國內外腦機介面的學術交流，自1999年首屆國際腦機介面會議舉辦以來，我們連續參加了第二、三屆會議，並作學術報告。此外，2010年起，我們團隊承辦了3屆中國腦機介面比賽，主辦了9屆世界機器人大賽-BCI腦控機器人大賽。展望下一個百年儘管腦電技術和腦機介面已取得顯著成果，但神經振盪究竟是大腦中的副產物，還是核心運行機制？圍繞腦電的起源機制，科學家們仍未形成共識。在第一個百年間，我們已經利用腦電圖實現癲癇、睡眠、腦機介面的研究，我認為面向下一個百年，泛在腦狀態、逆圖靈測試、夢境解讀應當成為研究的重點。首先，泛在腦狀態是什麼意思？過去沒有腦電技術時，人們只能判斷睡眠和清醒兩種腦狀態，其他狀態無法通過觀察得知。而有了腦電技術後，不僅睡眠可細分為幾個具體階段，白天的睏乏、疲勞、情緒等狀態也能被識別。因為除了清醒和睡眠狀態，我們的大腦還存在多種狀態，如疲勞、高興、憤怒等，通過腦電圖或腦機介面技術，我們可以解讀這些資訊。目前已能區分約8個核心腦狀態。未來百年，腦狀態的識別數量有望提升至64個甚至更多。到時候，機器能比人自身更早感知細微狀態的變化。比如人尚未反應過來是否喜歡一張照片，機器已能精準判斷。這一技術的實際應用價值很高，例如在自動駕駛中，一旦車輛無法控制，誤將控制權交給了處於睡眠狀態的駕駛員，泛在腦狀態技術就能解決這類問題。其次是逆圖靈測試。AI（人工智慧）的發展分為上下半場：上半場以圖靈測試為目標，傳統的圖靈測試是讓人類判斷與之交流的是機器還是人，如果人類無法區分，那麼機器就通過了圖靈測試，如今這一目標已實現；下半場就要以逆圖靈測試為核心，需要讓機器能區分資訊是人類還是AI產生的。因為現在主要資訊由人類產生，未來可能以AI產生的資訊為主，機器智能必須能夠區分人類和其他機器，否則社會秩序可能會受到干擾，像假鈔過多導致社會混亂一樣出現社會問題。最後，夢境解讀也是腦機介面技術的一個重要應用。目前，絕大多數人只能記住最後一個夢，而無法記住整晚的夢境。而通過腦機介面技術，我們未來能夠解讀夢境，甚至讀取記憶，這不僅可以用於記憶恢復，還可以用於測謊等領域。事實上，腦電技術和腦機介面的發展也對我們的教育提出了新的挑戰。傳統“德智體美勞”的教育目標中，原來我們認為“智”最後才能解決，但現在借助AI技術、腦機介面技術有了很大發展。同時，“美育”的重要性更加突出，腦電技術本身就是技術和文化的碰撞，怎樣在技術進步的同時，讓更多人瞭解美、認知美，是我們未來關注的重點。 (中國科學報)