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在探究最前沿的科技时，我们常常从古老的神话和现代的科幻中汲取灵感。本章将带你初步了解脑机接口这一将古代神话中隔空移物的超能力转化为现代科技实现的技术。从古代传说到现代实现的转变，不仅展现了科技的飞跃，也映射了人类对超能力渴望的历史轨迹。我们将探讨这一技术的起源、发展，以及它是如何通过将传统文化与现代科学相结合开辟出一条技术创新的道路的。同时，我们也会分析脑机接口在现实世界中的应用，及其面临的技术挑战和未来发展的可能性。这一章将让大家对脑机接口技术形成一个初步的总体认识，为后续章节的学习打下基础。
在我们源远流长的神话传说中，隔空移物的法术总是各种神鬼故事中不可或缺的内容。在现今生活中，我们常在科幻电影里看到这样的超能力。我在小时候就经常幻想自己拥有这样的超能力；然而，青少年时期的我却从来没有思考过它是不是能够在现实生活中实现以及可以以何种形式实现。其实，这种想象中的超能力正是脑机接口技术所要实现的典型功能，只不过这种物理实现是真真切切、有科技依据的。当我有幸在大学接触到脑机接口实验的展示时，就被它的神奇力量深深地吸引。在随后的20多年里，我一直奔赴在科研一线，致力于研制出更好的神经接口。
虽然我们幻想这样的超能力由来已久，但在古代至近代的历史上，没有人能够在物理世界中实现这样的超能力。随着现代科学技术的发展，直至20世纪后半叶，脑机接口的概念和技术实现才由以美国为主的西方科学家提出并验证。理论上讲，如果我们头脑里的意识可以被外界的仪器检测出来，这种检测到的信号就可以用来控制外部物体，使其移动。现在我们看到的脑机接口的表现形式只是西方思维方式下的产物，也许隔空移物的物理实现还有其他形式。但无论如何，一种科技概念和实现的出现，一定有孕育它的特定土壤；现代脑机接口概念萌芽的土壤就是近代的基础科学（包括电生理学、电化学、物理学和神经科学等）与现代的电子通信和计算机技术。从这种意义上来看，脑机接口的诞生是顺理成章的事，这种技术本身就是第三次工业革命的产物。
但我在这里要传达一个思路，我们要善于溯源，从源头问题来重新审视之后衍生出的技术形式。这里的源头问题即如何实现隔空移物的能力。运用我们自己的知识和技术来重新构建解决此问题的物理实现形式，我们或将创造出另一种形式的脑机接口技术。历经百余年，我们已经掌握了现代科学的基本知识与技术，并在此基础上形成了自己的深刻理解与独特见解。那么，我们在隔空移物上是否也可以有令世界为之赞叹的中国式创新呢？
如上所述，脑机接口就是为了实现隔空移物的能力，人们在电子通信和计算机技术诞生的背景下想出的一种物理实现形式。当时，新兴的个人计算机、通信、信号处理、家用电器设备等技术及神经科学的发展，很容易让身处其中的一些科技工作者想出这样一个整合系统。所以，在这种物理实现形式里，我们能够看到很深的时代技术背景的印记，比如计算机、电器和脑电波。试想，如果时代的技术平台不一样，那么我们对于隔空移物的构想是否会是另一种形式呢？答案是肯定的。一个例子就是，如在电影《阿凡达》中展现的，地球人的意识可以被导入另外一种生物人的身体，并在另外一个世界里生活。作为一种良好的科学习惯，我们应该保持这样的开放式头脑。
脑机接口的英文有两种说法：一是Brain-Machine Interface（BMI），二是Brain-Computer Interface（BCI）。由于计算机（computer）是我们迄今为止发明的伟大机器（machine）的代表，而脑机互联都是将脑与计算机相连来实现通信中继的，因此BCI这个词现在用得比较多。那么，这个名称为什么要加一个拗口的“接口”呢？其实，通常意义上的“脑机接口”指的是一个整体系统，并非仅指那个物理的“神经接口”。之所以是这样一个专有名词，一是因为这一概念的提出者最早是这样提的，业界习惯了；二是因为当时概念的提出者可能认为在整个系统中，脑与机器之间的物理通信接口是最关键的技术部分，所以着重强调。在本书中，我们不妨把这一物理通信接口本身称作“神经接口”，以与系统层面的脑机接口区别开来。诚然，神经接口确实是整个脑机接口系统中的瓶颈技术，这不仅在50年前“脑机接口”概念提出的时候是这样，现今依然如此。这个方向也正是我从事20余年研究的专业方向。神经接口的技术瓶颈问题体现在两个方面：一是物理稳定性，二是通信带宽。
自从将神经微电极植入动物和人体内以来，机体对电极的免疫排斥反应以及最终导致电极失效的现象，一直是困扰侵入式脑机接口研发和应用的最大难题。虽然在电极设计、材料和制作方面进行了各种改进，但这一难题仅仅得到了些微改善，迄今为止仍然没有成功的解决方案。我们将在第11章中对此问题进行专门阐述。
针对某一意识或行为，大脑的相关指令信号常常分布在多个区域，这就要求从多个区域采集神经电信号。然而，在多个脑区植入电极存在空间障碍等技术问题。另外，每个神经微电极仅能采集几个神经元的电信号，而大脑皮层内某一特定神经回路中神经元的密度高且分布广，这就需要多电极通道和高电极排列密度。然而，这样的要求面临非常艰难的技术挑战：第一，高密度的电极阵列将在空间上排斥脑组织，植入时和植入后都会对脑组织和功能造成更大的机械损伤；第二，高密度、多通道的电极阵列需要很高的数据传输速率和相应的实时分析运算，但对这种植入式的微型电子器件而言，其体积尺寸、算力和功耗都受到很大的限制；第三，高集成度、高算力的芯片功耗高、发热量大，会对周围组织造成热损伤，因而无法被这类植入式应用所接受。所以，神经接口通信带宽的制约是一个由综合因素决定的问题。目前仍处于实验阶段的高密度神经电极阵列最多也只达到几千个通道，比如美国Neuralink公司的The Link系统和Paradromics公司的Connexus 直接数据接口（Direct Data Interface），然而，这相较于高通量神经接口的理论需求，仍然还差一个数量级。
其实，脑机接口是人类对一种更高级的工具使用方式的美好设想。当我们可以不通过低效的运动输出（如用手写字、打字或语言）和感觉输入作为中继与周围的物理世界打交道时，我们的交互或生产效率将会显著提高，从而使人类迈入一个新的工具时代。脑机接口技术有可能是继智能手机之后的下一代人机交互方式，所以，目前得到了极高的社会关注。随着信息技术和神经科学在过去一个世纪内的突破和发展，当今的科技平台为快速推进和最终实现这一技术的商业化落地，提供了前所未有的历史性机遇。
“脑机接口”这一概念诞生在电子、通信和数字计算机的技术时代背景下，它的实现形式自然体现了这个技术时代的特征。如图1-1所示，人脑、传感器接口（即神经电极）、大脑电信号、计算机及受控的外部电子设备（如机械手臂）作为核心组件，构成了一个包括生物和非生物部分的综合系统。其中，人脑是提供意图输出的信号源；神经电极负责采集大脑意图活动所产生的微弱生理电信号，并将其传入计算机；在计算机中运行着信号处理和神经解码的算法，用以提取信号中承载的人脑意图信息；计算机神经解码的结果用来控制外部电子设备，比如电灯的开关、拨打电话，甚至机械手臂的运动等。尽管随着技术的不断进步，脑机接口系统中的人工组件也在不断更新，但以上基本构成仍然保持一致。
图1-1 脑机接口的物理实现形式
这里有一个问题，如果脑机接口系统中的以上核心组件发生了质的改变或者被替换，那么这样的新系统还是脑机接口吗？新的系统也许不能再被称作“脑机接口”，但它仍然能够实现脑机接口想要实现的隔空移物的功能，即脑机接口即便被这一新概念系统给取代了，但这两种概念将殊途同归。这里要强调的是，在科技工作中，我们要时不时地回归初衷和原始问题、重新审视我们的思路和技术方案，也许我们现行的思路和方案不是唯一能够解决问题的，也许还有更巧妙、更高效的方案。在科技上保持怀疑和开放的心态，将帮助我们避免思维定式，并有机会另辟蹊径。
在讨论脑机接口的应用场景时，我们需要先将其分为非侵入式和侵入式两种实现系统，再进行讨论。这两种实现形式的不同之处在于，是将神经电极简单地贴在头皮表面，还是通过外科手术植入脑内。基于在神经信息获取量上的差异，非侵入式系统所能实现的功能远低于侵入式系统。
非侵入式脑机接口是以头皮脑电为信号构建的。归因于其相对方便的电极佩戴方式，这种形式主导了脑机接口的早期发展，随后也出现了很多商业化的尝试，所针对的应用场景主要为消费级的电子游戏控制、注意力调节、睡眠监测和反馈等，另外也有给瘫痪或残疾病人定制的控制计算机或轮椅的系统。
相比而言，侵入式脑机接口技术的发展则是近20年的事情，这种形式需要将微型神经电极通过外科手术植入大脑皮层内部或表面，采集到的神经信号所蕴含的信息量更大，从而能够实现更复杂的控制功能，并且在响应速度和精度上有很大的优势。基于目前技术所能实现的功能无法为健康人提供丰富、流畅的用户体验，却需要他们承受高风险、高成本和高难度的神经外科手术，这就使得这样的系统在目前的技术条件下，只能考虑为高位截瘫病人提供运动或交流功能的辅助。
所以，尽管目前脑机接口技术所能实现的功能乍看起来非常神奇，但细究之下会发现，尚没有我们普通人在日常工作和生活中使用的功能场景。脑机接口技术在产业界的最终突破，将有赖于它能够为普通大众提供消费级的技术产品。也许有一天，侵入式脑机接口将成为每个人在幼年时就会植入并终生使用的一种新型人机交互工具。
本书将分为五部分来组织。
第一部分：启蒙时期（1790~1980年），包括第2～5章，将带大家一起了解前期在电生理学、信息处理和数字计算机方面的铺垫性发展，这一时期的科技进步为“脑机接口”概念的最终提出，提供了充分的思想和技术基础。
第二部分：探索时期（1980~2000年），包括第6～8章，将着眼于非侵入式脑机接口和早期的侵入式脑机接口，讲述早期一系列关于基本科学原理的探索和技术准备。
第三部分：快速发展期（2000年~现今），包括第9～ 16章，是本书的核心部分，将着重讲述侵入式脑机接口技术的迅速迭代、优化并逐步升级功能的一系列科研实验，并向大家介绍当前该领域的科技前沿。
第四部分：创业爆发期（2016年~现今），包括第17、18章，将分析脑机接口技术商业化所面临的科技瓶颈，并介绍近年来涌现出来的代表性脑机接口初创公司。
第五部分：未来会怎样（现今~2050年），包括第19、20章，将对该领域未来的发展进行分析、预测和展望，并讨论相关社会伦理和法规的考量。