編者按
隨著神經(jīng)工程與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，人腦與外部設(shè)備的直接連接正在從科幻走向現(xiàn)實(shí)。在神經(jīng)活動(dòng)與數(shù)字系統(tǒng)間建立通信通路的腦機(jī)接口（BCI，BRAIN-COMPUTER INTERFACE）技術(shù)，不僅應(yīng)用于醫(yī)療輔助與軀體功能重建，更引發(fā)了關(guān)于感知、意識(shí)及控制方式的全新探討。
自1924年首次記錄人類(lèi)腦電波活動(dòng)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)大腦的探索已走過(guò)百年歷程。無(wú)論是腦電技術(shù)的探索，還是腦機(jī)接口的應(yīng)用，技術(shù)躍進(jìn)的背后都暗藏著對(duì)文化的思考和追問(wèn)。作為科學(xué)與文化的碰撞，人腦的百年“進(jìn)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(xué)科學(xué)博物館主辦了“科博文化周”活動(dòng)“界面中的我：腦機(jī)接口與意識(shí)的未來(lái)”，聚焦腦機(jī)接口技術(shù)在科學(xué)、藝術(shù)與認(rèn)知領(lǐng)域的交叉探索。清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授高小榕作《腦電百年與腦機(jī)接口》報(bào)告，本報(bào)記者趙宇彤根據(jù)報(bào)告內(nèi)容整理如下。
科學(xué)與文化的交匯
腦機(jī)接口是人機(jī)交互的特殊形態(tài)，可以直接從大腦提取信號(hào)控制外部設(shè)備，替代、恢復(fù)、補(bǔ)充或改善大腦的功能。而腦電技術(shù)則是腦機(jī)接口最核心、最主流的信號(hào)采集與處理基礎(chǔ)。
1924年，德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·伯杰首次記錄了人腦的能量活動(dòng)，這種能量活動(dòng)后來(lái)被命名為腦電波。那張腦電波記錄圖也成為人類(lèi)歷史上第一張腦電圖。
實(shí)際上，漢斯·伯杰的研究動(dòng)機(jī)源自一個(gè)看似“靈異”的事件。漢斯·伯杰是個(gè)富二代，非常聰明，大學(xué)時(shí)攻讀當(dāng)時(shí)“最?！钡膶?zhuān)業(yè)天體物理學(xué)。德國(guó)的大學(xué)生需要軍訓(xùn)，他在行軍途中受傷，住院后意外接到家人的慰問(wèn)電報(bào)。原來(lái)是他妹妹出現(xiàn)“心靈感應(yīng)”，晚上做夢(mèng)時(shí)“感應(yīng)”到哥哥受傷了。漢斯·伯杰聯(lián)想到他13歲在巴西旅游時(shí)，曾被電鰻電到的經(jīng)歷，就琢磨是不是自己和妹妹的腦子里有跟電鰻一樣的通信工具，能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸？于是，他轉(zhuǎn)專(zhuān)業(yè)去學(xué)醫(yī)學(xué)，研究腦電問(wèn)題。
在一次對(duì)17歲少年的神經(jīng)外科手術(shù)中，漢斯·伯杰終于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(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，才得到這張來(lái)之不易的腦電圖。
1929年5月，關(guān)于腦電圖的第一篇論文《人類(lèi)腦電圖的使用》出爐，發(fā)表于《精神病學(xué)檔案》。這篇論文報(bào)道了1924年記錄的腦電圖波形，上方描記為腦電信號(hào)，下方為10Hz定時(shí)信號(hào)，每次受試者閉眼時(shí)都會(huì)出現(xiàn)10Hz的信號(hào)，可以看出有很強(qiáng)的周期性α（阿爾法）波成分。
正是基于這首張腦電圖，1938年，美國(guó)神經(jīng)學(xué)家赫伯特·賈斯珀在寄給漢斯·伯杰的圣誕賀卡中，暢想了從腦電波中解碼出語(yǔ)言的可能性。這被認(rèn)為是對(duì)腦機(jī)接口的早期科幻式的描繪。
其實(shí)，腦電技術(shù)的萌芽，乃至人類(lèi)的發(fā)展都離不開(kāi)科學(xué)與文化。這里的科學(xué)指的是生物層面的探索，文化則是社會(huì)層面的觀(guān)察。而在19世紀(jì)20年代，有關(guān)科學(xué)與文化的爭(zhēng)論正如火如荼地開(kāi)展。
1922年，愛(ài)因斯坦與亨利·柏格森開(kāi)啟了一場(chǎng)“時(shí)間”之爭(zhēng)。時(shí)間究竟是客觀(guān)存在，還是人類(lèi)的幻覺(jué)？愛(ài)因斯坦認(rèn)為，只存在一種物理時(shí)間，且時(shí)間與空間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，它們共同構(gòu)成宇宙的基本結(jié)構(gòu)。而在柏格森看來(lái)，物理時(shí)間之外尚存在哲學(xué)時(shí)間，他在《創(chuàng)造進(jìn)化論》《時(shí)間與自由意志》中多次舉例，假設(shè)想要調(diào)制一杯糖水，不管再怎么著急也沒(méi)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(kuò)散的速度是相等的，這揭示了時(shí)間與空間的根本異質(zhì)性：時(shí)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(chǎng)科學(xué)與文化的碰撞，即“科玄論戰(zhàn)”。以梁?jiǎn)⒊瑸榇淼男W(xué)派和以胡適為代表的科學(xué)派，圍繞“科學(xué)的邊界是什么”的話(huà)題開(kāi)展熱烈討論，促進(jìn)了當(dāng)時(shí)學(xué)者對(duì)科學(xué)與文化之關(guān)系的深入思考。
不難看出，科學(xué)和文化共同構(gòu)成了人類(lèi)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，盡管二者基本遵循兩條不同的路徑，但其中一定存在交匯點(diǎn)。恰好，腦電技術(shù)就是其中之一。
腦電百年的三件“大事”
盡管1924年漢斯·伯杰就已經(jīng)首次記錄了人類(lèi)腦部的能量活動(dòng)，但對(duì)當(dāng)時(shí)大多數(shù)人而言，腦電波仍然是一個(gè)陌生的領(lǐng)域。
直到1934年，美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家赫伯特·H·費(fèi)希爾和亞伯拉罕·洛溫巴克首次在癲癇患者腦電圖中發(fā)現(xiàn)特征性棘波，這是腦電圖研究的第一件大事。1935年，美國(guó)科學(xué)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(fù)合波，成為癲癇診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)創(chuàng)了臨床腦電圖新領(lǐng)域。
腦電技術(shù)的發(fā)展對(duì)文化有極大的促進(jìn)作用，過(guò)去人們大多認(rèn)為，癲癇發(fā)作是“魔鬼附身”，而腦電技術(shù)則證實(shí)，那實(shí)際上是大腦活動(dòng)存在異常。1936年，全球首個(gè)腦電圖實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)波士頓的麻省總醫(yī)院成立，這是腦電圖從科學(xué)研究邁向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵里程碑。
又經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，1953年，腦電圖幫助人類(lèi)發(fā)現(xiàn)并明確了快速眼動(dòng)睡眠期的存在。其實(shí)，快速眼動(dòng)睡眠就是做夢(mèng)，人類(lèi)在做夢(mèng)時(shí)腦電波會(huì)有相應(yīng)變化。過(guò)去，我們只能知道一個(gè)人是否處于睡眠狀態(tài)，但對(duì)方有沒(méi)有做夢(mèng)無(wú)法確定。
人是一定會(huì)做夢(mèng)的。而借助腦電圖的監(jiān)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)了睡眠周期和不同睡眠階段的特征性腦波。比如，慢波睡眠大概1小時(shí)，快速眼動(dòng)睡眠約半小時(shí)。整夜會(huì)經(jīng)歷4~6個(gè)睡眠周期。但不同人群的睡眠情況不一樣。
事實(shí)上，做夢(mèng)的時(shí)候思維能力是白天的1.5倍。盡管從理論上看，夢(mèng)境是可以被誘導(dǎo)的，在睡夢(mèng)中播放英語(yǔ)單詞，記憶的效果會(huì)更好，但由于睡眠狀態(tài)下沒(méi)有主觀(guān)判斷能力，因此這也存在倫理的爭(zhēng)議。但無(wú)論如何，睡眠研究是腦電圖應(yīng)用的第二件大事。
彼時(shí)，中國(guó)也開(kāi)始了對(duì)腦電技術(shù)的探索。1955年，我國(guó)癲癇和腦電圖學(xué)的創(chuàng)始人、北京協(xié)和醫(yī)院的馮應(yīng)琨教授建立了全國(guó)首個(gè)臨床腦電圖實(shí)驗(yàn)室，1957年舉辦了全國(guó)首屆腦電培訓(xùn)班，后來(lái)他又編寫(xiě)了《腦電圖學(xué)》和《腦電圖圖譜》等圖書(shū)資料，并在全國(guó)推廣。
在腦電技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)上，盡管東西方都開(kāi)始了摸索，但始終沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范。
直到1958年，國(guó)際臨床神經(jīng)生理學(xué)聯(lián)合會(huì)制定了國(guó)際10~20電極系統(tǒng)，這是一種國(guó)際公認(rèn)的方法，共包含21個(gè)電極，用于在腦電圖檢查或腦電研究中描述和應(yīng)用頭皮電極的位置。相當(dāng)于在大腦中劃出經(jīng)緯線(xiàn)，對(duì)不同腦區(qū)進(jìn)行規(guī)范化的區(qū)分。
又經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了α腦電波。這是大腦產(chǎn)生的四種基礎(chǔ)腦電波之一，通常在清醒閉目、身體放松且大腦活躍時(shí)出現(xiàn)。
1988年，科學(xué)家第一次使用α腦電波控制機(jī)器人。機(jī)器人會(huì)根據(jù)受試者的α腦電波活動(dòng)，沿著一條直線(xiàn)行走或停止。受試者放松、閉上眼睛時(shí)，α腦電波活動(dòng)增加，機(jī)器人就會(huì)行走；而睜開(kāi)眼睛后，機(jī)器人就會(huì)停止。
縱觀(guān)腦電技術(shù)的百年歷程，癲癇診斷、睡眠研究、機(jī)器人控制是三件繞不開(kāi)的“大事”，而最后一件“大事”，也就是我們今天所說(shuō)的腦機(jī)接口。
腦機(jī)接口：從科幻到現(xiàn)實(shí)
腦機(jī)接口的發(fā)展離不開(kāi)“三駕馬車(chē)”：腦信息采集、計(jì)算機(jī)科學(xué)及信號(hào)分析技術(shù)、神經(jīng)科學(xué)等學(xué)科的相互影響。
當(dāng)歷史的車(chē)輪來(lái)到1973年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家雅克·維達(dá)爾正式提出了腦機(jī)接口的概念與設(shè)想。
1988年，美國(guó)科學(xué)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(guān)電位）中的P300成分，通過(guò)行列閃爍編碼范式設(shè)計(jì)了第一套P300speller系統(tǒng)，產(chǎn)生了P300-BCI范式。
1991年，美國(guó)科學(xué)家喬納森·沃爾帕訓(xùn)練用戶(hù)自我調(diào)節(jié)mu節(jié)律（腦電圖中一種典型的正常變異波形）的幅值，通過(guò)mu節(jié)律幅值的變化實(shí)現(xiàn)光標(biāo)的一維控制；1993年，奧地利科學(xué)家格特·普弗策勒等人構(gòu)建了基于感覺(jué)運(yùn)動(dòng)節(jié)律的事件相關(guān)去同步（ERD）電位、事件相關(guān)同步化（ERS）電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)任務(wù)和運(yùn)動(dòng)想象中發(fā)揮重要作用。
近年來(lái)，基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口，由于其高信息傳輸率、零訓(xùn)練和低腦機(jī)接口盲率，可以幫助包括漸凍癥患者在內(nèi)的人群實(shí)現(xiàn)便捷打字，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。
事實(shí)上，這項(xiàng)探索在1999年就開(kāi)始了。當(dāng)時(shí)，德國(guó)圖賓根大學(xué)的神經(jīng)學(xué)者尼爾斯·比爾鮑默等利用慢皮層電位幅度變化控制光標(biāo)一維運(yùn)動(dòng)。這是第一次在病人身上做腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)，花了1天多時(shí)間，病人打出了1條完整的信息。
同年，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了四目標(biāo)SSVEP（穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位）腦機(jī)接口，并將其用于控制光標(biāo)移動(dòng)。為什么我們能這么早取得這一成果？實(shí)際上，1995年，我們?cè)舆^(guò)一個(gè)項(xiàng)目，航天員在上天完成任務(wù)之前，都需要進(jìn)行太空環(huán)境適應(yīng)訓(xùn)練。訓(xùn)練時(shí)使用最多的機(jī)器是離心機(jī)，由于其具有高強(qiáng)度的重力加速度，受訓(xùn)人在訓(xùn)練時(shí)通常來(lái)不及喊停就會(huì)陷入眩暈。我們的工作就是在離心機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，檢測(cè)受訓(xùn)人的大腦意識(shí)狀態(tài)，通過(guò)腦機(jī)接口系統(tǒng)判斷受訓(xùn)人是否清醒。這也是中國(guó)第一個(gè)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。
目前，腦機(jī)接口形式分為侵入式、半侵入式和非侵入式3種，其中非侵入式研究占比超80%，但侵入式研究采集的神經(jīng)元信號(hào)最強(qiáng)。腦電信號(hào)采集設(shè)備從20世紀(jì)三四十年代的真空管放大器，逐步發(fā)展為便攜、可穿戴、無(wú)線(xiàn)通信的隱秘穿戴設(shè)備。
從功能上看，主要是康復(fù)和替代兩類(lèi)?，F(xiàn)在大家對(duì)這兩種類(lèi)型有些混淆，比如利用機(jī)械臂完成喝水動(dòng)作，其實(shí)是替代功能，而只用自己的肌肉來(lái)做這一動(dòng)作，才是康復(fù)。目前，腦機(jī)接口可實(shí)現(xiàn)打字（T）、寫(xiě)字（W）和說(shuō)話(huà)（S）三大類(lèi)人機(jī)交互（TWS），侵入式和半侵入式腦機(jī)接口均能實(shí)現(xiàn)TWS三項(xiàng)功能。
現(xiàn)在，出現(xiàn)了更多腦機(jī)接口的應(yīng)用嘗試。比如，“北腦一號(hào)”柔性高通量半侵入式無(wú)線(xiàn)全植入腦機(jī)接口，128通道同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息采集。2023年5月，《自然》發(fā)布的一項(xiàng)最新研究指出，一種“腦-脊髓接口BSI”技術(shù)——由一個(gè)植入的記錄和刺激系統(tǒng)組成，能連接大腦和參與行走的脊髓區(qū)域。
為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)外腦機(jī)接口的學(xué)術(shù)交流，自1999年首屆國(guó)際腦機(jī)接口會(huì)議舉辦以來(lái)，我們連續(xù)參加了第二、三屆會(huì)議，并作學(xué)術(shù)報(bào)告。此外，2010年起，我們團(tuán)隊(duì)承辦了3屆中國(guó)腦機(jī)接口比賽，主辦了9屆世界機(jī)器人大賽-BCI腦控機(jī)器人大賽。
展望下一個(gè)百年
盡管腦電技術(shù)和腦機(jī)接口已取得顯著成果，但神經(jīng)振蕩究竟是大腦中的副產(chǎn)物，還是核心運(yùn)行機(jī)制？圍繞腦電的起源機(jī)制，科學(xué)家們?nèi)晕葱纬晒沧R(shí)。
在第一個(gè)百年間，我們已經(jīng)利用腦電圖實(shí)現(xiàn)癲癇、睡眠、腦機(jī)接口的研究，我認(rèn)為面向下一個(gè)百年，泛在腦狀態(tài)、逆圖靈測(cè)試、夢(mèng)境解讀應(yīng)當(dāng)成為研究的重點(diǎn)。
首先，泛在腦狀態(tài)是什么意思？過(guò)去沒(méi)有腦電技術(shù)時(shí)，人們只能判斷睡眠和清醒兩種腦狀態(tài)，其他狀態(tài)無(wú)法通過(guò)觀(guān)察得知。而有了腦電技術(shù)后，不僅睡眠可細(xì)分為幾個(gè)具體階段，白天的困乏、疲勞、情緒等狀態(tài)也能被識(shí)別。因?yàn)槌饲逍押退郀顟B(tài)，我們的大腦還存在多種狀態(tài)，如疲勞、高興、憤怒等，通過(guò)腦電圖或腦機(jī)接口技術(shù)，我們可以解讀這些信息。
目前已能區(qū)分約8個(gè)核心腦狀態(tài)。未來(lái)百年，腦狀態(tài)的識(shí)別數(shù)量有望提升至64個(gè)甚至更多。到時(shí)候，機(jī)器能比人自身更早感知細(xì)微狀態(tài)的變化。比如人尚未反應(yīng)過(guò)來(lái)是否喜歡一張照片，機(jī)器已能精準(zhǔn)判斷。這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值很高，例如在自動(dòng)駕駛中，一旦車(chē)輛無(wú)法控制，誤將控制權(quán)交給了處于睡眠狀態(tài)的駕駛員，泛在腦狀態(tài)技術(shù)就能解決這類(lèi)問(wèn)題。
其次是逆圖靈測(cè)試。AI（人工智能）的發(fā)展分為上下半場(chǎng)：上半場(chǎng)以圖靈測(cè)試為目標(biāo)，傳統(tǒng)的圖靈測(cè)試是讓人類(lèi)判斷與之交流的是機(jī)器還是人，如果人類(lèi)無(wú)法區(qū)分，那么機(jī)器就通過(guò)了圖靈測(cè)試，如今這一目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)；下半場(chǎng)就要以逆圖靈測(cè)試為核心，需要讓機(jī)器能區(qū)分信息是人類(lèi)還是AI產(chǎn)生的。因?yàn)楝F(xiàn)在主要信息由人類(lèi)產(chǎn)生，未來(lái)可能以AI產(chǎn)生的信息為主，機(jī)器智能必須能夠區(qū)分人類(lèi)和其他機(jī)器，否則社會(huì)秩序可能會(huì)受到干擾，像假鈔過(guò)多導(dǎo)致社會(huì)混亂一樣出現(xiàn)社會(huì)問(wèn)題。
最后，夢(mèng)境解讀也是腦機(jī)接口技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。目前，絕大多數(shù)人只能記住最后一個(gè)夢(mèng)，而無(wú)法記住整晚的夢(mèng)境。而通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，我們未來(lái)能夠解讀夢(mèng)境，甚至讀取記憶，這不僅可以用于記憶恢復(fù)，還可以用于測(cè)謊等領(lǐng)域。
事實(shí)上，腦電技術(shù)和腦機(jī)接口的發(fā)展也對(duì)我們的教育提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)“德智體美勞”的教育目標(biāo)中，原來(lái)我們認(rèn)為“智”最后才能解決，但現(xiàn)在借助AI技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)有了很大發(fā)展。同時(shí)，“美育”的重要性更加突出，腦電技術(shù)本身就是技術(shù)和文化的碰撞，怎樣在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，讓更多人了解美、認(rèn)知美，是我們未來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)。
高小榕
清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授。中國(guó)神經(jīng)工程及腦機(jī)接口學(xué)科的主要?jiǎng)?chuàng)建者，從1998年起在中國(guó)率先開(kāi)展腦機(jī)接口研究，提出并實(shí)現(xiàn)了基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口技術(shù)。其開(kāi)發(fā)的視覺(jué)腦機(jī)接口系統(tǒng)在2015年達(dá)到267比特/分鐘的世界最高通信速率；2019年協(xié)助漸凍癥患者通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)意念控制機(jī)器打字；2025年提出該領(lǐng)域正進(jìn)入核心硬件優(yōu)化與智能解碼算法深度融合的雙輪驅(qū)動(dòng)新階段；同年12月，其團(tuán)隊(duì)通過(guò)高精度腦電設(shè)備捕捉觀(guān)眾神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)美學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索將神經(jīng)美學(xué)原理拓展至情緒障礙康復(fù)、美育教育和老年認(rèn)知干預(yù)等領(lǐng)域。
編輯：李華山
