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最近脑机接口又“火”了，火起来的原因不是技术层面有什么全新的进展，而是其在浙江一所小学的落地应用。
据国内媒体和国外媒体报道，这款像孙悟空“头箍”一样的头戴脑机设备，已经被浙江金华的一所小学实际应用起来：通过检测学生脑电波的活动，进而评判学生上课、写作业时是否集中了注意力，并给学生的集中注意力情况打分。
头环的软件系统会将学生上课的注意力状况统计成分数，学校老师则会把这个分数像考试成绩排名一样发到家长群里。在“头环”的监督下，学生似乎变积极了，老师和家长纷纷表示效果不错。
一时之间，很多人开始质疑，认为这种用先进技术来监控小孩子状态的做法不可行。
但绝大多数人都没有去想或者说是忽略掉的是——这个头环背后的脑机技术真的有它说的那么厉害吗？脑机接口真的能够完成检测孩子注意力的任务吗？
大脑，人类“神秘”的中枢
严格来说，脑机接口所对应的并不是整个大脑。大脑中的“后脑”、“中脑”两块区域相对不发达，只负责调节人类生存和运动所需的基本功能，基本没有打造接口的需求。加之其被整个“前脑”包着，且一旦损伤可导致死亡，基本只有在治疗少数重症如帕金森时才有可能被列为治疗对象。
而对脑机接口来说，真正重要的实际上是“前脑”中狭义的“大脑”，覆盖了所有的大脑皮层（灰质层，皱纹和皱纹），海马和基底神经节。
作为整个大脑最重要的部位，大脑的皮质层几乎无所不能——它负责处理听觉、视觉及感觉信息，同时还掌管着语言、运动、思考、计划、性格等诸多方面。
通过各种办法获取这些大脑皮质层中神经元活动的电信号，并且寻找到其中的规律，提供给电脑解读并反馈，就是“脑机接口”的目标。
既然要接，那么自然需要对大脑有足够的了解，但事实上目前全球的脑研究还在进程中。
以2013年美国的“使用先进革新型神经技术的人脑研究（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）”计划为例。由国立卫生研究院（NIH）、美国国家科学基金会（NSF）和美国国防部高级研究计划局（DARPA）的共同支持，同时还得到了其他私人基金会，比如艾伦脑科学研究所和索尔克生物研究所的支持。2014年项目开始时的财政预算是1亿美元，同时计划在将来十年内为项目筹集到高达45亿美元的资金。
在这个项目里面，最重要的一个环节是绘制出人脑活动图谱（Brain Activity Map， BAM）。人脑看上去并不起眼，但是里头差不多有1000亿个神经元，形成100万亿个突触。
但NIH院长曾专门给出一个估计，光是这个环节需要处理的数据就将达到YB级别，而1YB大概等于1000万亿GB。而目前全球的数据总量，大概只有几十万亿GB，即便清空所有其他数据，也存储不下所需要进行计算的数据。
如此艰巨的任务，花费的时间自然也不会少，以各国目前的脑研究计划为例，短的都要10年，长的甚至有30年的规划。虽然脑机接口大概率不会等脑研究完成之后再来推进，但显然暂时没有成熟的脑研究，必然会影响现阶段脑机接口的能力表现。
不过从另外一个角度来说，脑机接口也是一种“研究工具”，因为对于大脑的研究必须对活体大脑进行足够多的数据收集、分析、研究。收集数据恰恰是脑机接口所做的事情。
未来，我们大概率会看到脑研究和脑机接口两者相辅相成，轮流推进。
脑机接口发展现状
从原理上来说，脑机接口从大脑皮层采集脑电信号需要经过放大、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。
这些环节中最为关键的依旧是如何从大脑皮层中采集到电信号。
根据大脑的结构和采集信号位置的不同，基本可以分为三种：
非侵入式：是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录何解读。这种技术虽然避免了昂贵和危险的手术，但是由于颅骨对于大脑信号的衰减作用，以及对于神经元发出的电磁波的分散和模糊效应，使得记录到的信号强度和分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。
侵入式：是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。另外，由于异物侵入，可能会引发免疫反应和愈伤组织（疤痕组织），导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。
半侵入式：即将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，但是却优于非侵入式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。
目前来说，因为侵入式、半侵入式的技术仍不成熟，所以学界和应用界主要在研究的依旧是风险最低、投入成本最低、但效果相对最差的非侵入式。
典型的EEG电极帽实验场景
而在非侵入式中，最主流的就是EEG（脑电图），也就是直接把几十上百个电极贴到你的脑袋上，通过感应电极上的电位变化，来对大脑活动进行分析。这也是为什么使用EEG的人都要戴一顶固定电极用的电极帽。
说出来你可能不信，EEG是一项有上百年历史的技术，更早在1924年就有医学家开始测量人类的脑电图。作为一种已经使用了快100年的脑机接口技术，EEG越发展其实瓶颈越明显。
以目前EEG为技术基础开发的、目前最高效的是SSVEP（稳态视觉诱发电位），它所利用的实际上是人类视觉系统在观察时形成的脑电波信号。
典型的通过SSVEP来进行文字输入的实验（输入模式在实际实验中变化多样，甚至可以结合AI对即将输入的内容进行预判，尽可能通过更合理的推荐提升输入效果）
具体来说，在进行SSVEP之时，控制者需要以平静的心态面对一块屏幕，屏幕上会划分成数个方块，每一个方块上有不同的内容，以固定频率（一般8-15Hz）闪烁。当控制者持续盯着特定的方块看的时候，脑电波信号就会出现有与这个方块本身频率相近的信号，通过电极就能捕捉控制者的选项了。
这种方法的好处是在于不需要对测试者进行过多的培训，因为几乎每一个人盯着特定频率闪烁的方块，都能够在大脑的视觉神经区域生成对应的脑电波。
用SSVEP的方式来控制无人机的实验
相比传统基于EEG的脑机接口技术，SSVEP的信息输入能力已经很强大了。但每一次选择始终还要花1-1.5秒时间，也就是一分钟只能大概拼出40个选项。相比之下，现代人用英语一分钟大概能打出40个单词，用中文大概可以做到50-80字。
而且心情和思维都会干扰到脑电波的表现，随即也会影响到脑机接口输入的表现，实际表现就是错误率大幅上升。
除了输入之外，EEG还有一系列别的应用。典型的包括利用EEG检测脑部活动活跃度，脑电波信号稳定度等，来检测人的注意力是否集中。也能利用其他非视觉的方式来帮助残疾人控制假肢等等。
利用脑部的活动程度来判断机器执行是否准确
上世纪90年代之后，少数研究者也开始研究“侵入式”脑机接口，例如犹他大学研究者所研发的“犹他阵列”，2毫米边长的正方形底座上虽然放上了100多个电极，并且被直接在手术状态下直接插入大脑皮层当中。
宛如“钉板”的电极因为植入风险非常高，在出现了快30年的时间里，并没有特别长足的进展，但是它所检测出来的信号的清晰程度，还是让科学家明白了一个事实：侵入式，是不得不走的路径。
脑机头环，技术含量几何？
这个时候我们再返回来看此次大家热议的脑机头环，综合各种信息之后可以对其技术含量形成更加具体的认识。
1、这个头环，是一个电极数量有限的脑电波感应器。
在今年更早的时候，开发这个头环的BrainCo公司曾经就接受过国内其他媒体的采访，其中专门提到了自家公司的技术实力：这个头环最大的优点在于上面机器与大脑接触所采用的的非侵入式电极材料，避免了传统的脑电波电极需要涂抹导电膏的步骤（涂抹了之后要清洗）。
而从采访中和官网的介绍中，我们其实都可以清晰地看到，这款产品恰恰是基于我们上面所介绍的EEG技术，而且就这个头环来说，电极数量总共只有3个。
根据这样的硬件配置，其实不难推测其检测能力，其实就是直接捕捉最基础的脑波信号，来“计算”得出学生的专注度。
严格按照种类划分来说，它的确是脑机设备的一种，但从原理和能力上来看，依旧是最简单的那一类，难言高大上。
2、头环真的能检测学生的注意力吗？
早在19世纪末，就已经有科学家发现人脑在不同的“状态”下回产生不同的电信号。差异主要体现在频率上，理论上，如果你有脑波信号，的确是可以反推大脑的工作状态。只不过，这种操作方式得到的结果必然是很模糊的。
一来大脑本身并非基于电学运转，生物电反应的实际上是大脑整体的活跃度，这也是为什么脑波的频率是随着人脑的活跃不断提升的。
而BrainCo的头环所能依靠的也只有频率，也就是说最终的“注意力”评分，其实就是从大脑的活跃度得出结果。在之前的媒体报道当中，其实已经提到了有现场记者觉得有的学生虽然头环显示注意力很高，但表情上看并不专注。原因很简单，因为压根不需要专注，哪怕你脑子里想象着昨天看的动画片，只要大脑很活跃，注意力检测一样不会低。
当然，打瞌睡之类的肯定是能检测的，但要说能够精准检测注意力，显然是不现实的。
3、利用技术和安慰剂效应欺骗，算不算骗子？
既然技术层面并没有可能实现，那么为什么在实际的落地应用中，老师和家长都觉得这个头环有用呢？这就不得不提“安慰剂效应”的作用了。
在之前的报到当中，有媒体提到学生表示头环的电机在脑门上都压出了印子，可见这个头环的佩戴存在感是非常明显的。再结合这个头环本身会不断生成成绩数字，最终给到家长手上，这已经事实上形成了一个由家长发起的“持续性提醒”。
这其实是一种持续性的潜在精神刺激，比课室后门窗户有可能突然出现的家长脸庞还要来的直接。
对于这些涉世未深，不了解相应技术的小学生更是如此，他们主观上就会认为这个设备能够真的检测他们的注意力，进而在课堂上下意识的逼迫自己更加专注。这种跟时刻“戳脊梁骨”提醒没差的操作，自然而然地会让老师和家长看到“效果”。
与其说家长和学校是为能够检测注意力的设备掏钱，倒不如说他们为这一份被技术粉饰过的“安慰剂效应”掏钱。
侵入式：通向未来的唯一路径
2018年3月26日，依旧是那个高调的伊隆·马斯克，在当时迪拜举行的世界政府峰会（WGS）上语出惊人，他说：“人类需要与机器相融合，成为‘半机械人’（cyborg），否则将在人工智能的时代被淘汰。”
马斯克认为：“随着时间的推移，生物智能和数字智能将发生更紧密的融合。计算机能以‘每秒万亿比特’的速度进行通信，而人类与计算机的通信方式主要是用手指在他们的移动设备上打字，速度大约是：每秒10比特。一些与人脑连接的高带宽接口将有助于实现人类和机器智能的共生，并可能解决控制问题（control problem）和有用性问题（usefulness problem）。”
显然，老迈的EEG并不能满足马斯克的这个宏伟愿望。这也是为什么马斯克最终选择让自己的Neuralink公司首先研发了一整套全新的脑机接口系统。凭借这套系统，马斯克已经将脑机接口技术悄然推向了下一个发展阶段。
在这套全新的系统中，引入了大量全新的技术和思路：
侵入式的微电极阵列用芯片制造工艺来制作，并且与导线直接连接在一起，形成一根根“细丝”；
开发专用的、同时可以处理1024路信号的芯片，连接微电极阵列的导线直接接入芯片，在近端就对采集的脑电信号进行相应处理，以防传输距离过长导致信号失真；
最后是专门开发植入全新微电极阵列的自动化机器手臂，能够高精度、密集且自动化地将一根根“细丝”植入大脑中。
拿这些外形尺寸μm（1米的一百万分之一）级别的全新微电极，和上文提到的毫米级别的“犹他阵列”、压根不植入的EEG一比，后面两者真的宛如“史前工具”。
也正如我之前在马斯克那篇文章中所说的，Neuralink这次公布的新系统，正在将脑机接口的电极大小，向实际的脑细胞大小靠近。按照这个发展趋势，不久的将来我们就有希望“让机器和大脑在同一个尺寸度量下进行“信息交流”了”，而不再是地球和乒乓球级别的对话。
这种进展大概率会拓展人类对于大脑的了解，这不仅将会利于脑机接口进一步发展，同时还将推动脑部疾病、人工智能等一系列技术的发展。
伦理，不可忽视的隐形挑战
对于人体的研究，不可避免地都会涉及伦理，大脑的研究尤其是如此。
之所以像EEG这样已经100多岁的发展方向大家仍然在不断探索，就是因为它基本不涉及伦理问题。一旦到了侵入式和半侵入式脑机接口的领域，那就进入伦理问题的重灾区了。
目前人类在进行大脑的研究时所使用的人类大脑组织，主要还是依赖两种途径：一是人在死亡之前志愿将大脑等器官捐献出来，二是本身患有神经类疾病的病人，医学研究的过程其实更像是治疗。这两种方式，其实都有自己的大问题。
先说第一种，捐献的人脑最大的优势就是可以进行全面而又详细的解剖。例如1955年，著名科学家爱因斯坦死去之后，他的大脑就被解剖出来，并且分成了240块被妥善保管下来。直到2013年，仍有人在不断地拿普通人的大脑解剖和爱因斯坦的进行对比，试图找到爱因斯坦当年智商超群的秘密。
虽然相关的研究不少，但一个事实不会改变，这个曾经创造出一系列惊人科学进展的大脑已经死去，其最宝贵的运转状态已经无法再出现，科学家只能根据其大脑的物理特性来进行分析，让分析结果的价值大打折扣。
第二种的局限相对小一些，很多神经受损的患者基本都会愿意参与带有实验性的治疗，例如帕金森病人方可以选择从外部插入两个电极到小脑。在并发症癫痫发作的时候，施以一定量的电击，能够在一定程度上缓解病症。
除了单纯的治疗之外，这些病人也大概率会接受更前沿的治疗实验，他们也是目前半侵入式、侵入式脑机接口的主要实验对象。但同样的，这些实验还是专注于治疗用途为主，并不是面向普通人、带有创造商业价值的方案。
如何才能够找到正常人，或者说是制定一套普通人参与到最先进的脑机接口研究中来的制度，正在成为一个巨大的挑战。
当然，跟药物研究一样，假如你不想直接参与到危险性较高的研发过程中，你可以继续等待，等相关技术通过临床验证之后、成熟了再考虑应用到自己身上。
反正不论怎么看，许多人心心念念的“赛博时代”，尚需一些年月。
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