最近这些年，治疗脑部功能失调方面的手段，将许多曾经虚构的技术带到了科学中去。例如，帕金森氏病和精神分裂症的症状能伴随着大脑深处的电刺激而减少，先进的脑机接口允许瘫痪病人通过他们的脑力活动来控制计算机。
随着不断有新的记录大脑活动的方法被开发出来，人们越来越有可能接触到个体的心理过程，通俗地说就是“大脑意识被读出”。从大脑中直接提取信息，可用于遥控装置、控制假肢或了解对方隐藏的意图。
电流、光遗传学和其他刺激大脑的方法，通常被用来研究大脑中的神经，也能用这些方法恢复功能失调的神经回路。这些方法可以用于“写入大脑”，即直接向大脑输入信息。
目前这些技术仍主要用于有限的治疗环境中。一旦它们的性能有所提高，它们将变得更广泛适用，在将来可能会运用在日常生活中。从大脑中读取和输入信息的神经技术，可以组合应用在单个个体中，能增强大脑的处理能力和认知能力。但这种潜在的方法面对着一些伦理问题。
今天，木瓜君参考今年5月2日在Trends in Cognitive Science上线的预印版综述文章，给大家介绍一下脑机接口的发展趋势，以及在意识读出和大脑信息写入方面的应用前景。
读出：意识解读
通过用仪器设备记录神经细胞的活动，了解人类思考的过程，是可以实现 “读心术”的。
其中非侵入性的方法包括(electroencephalography, EEG)，功能性磁共振成像（fMRI），和最近应用的近红外光谱。尽管在脑电图为基础的脑机接口中，信息传递得相对较少，但可以通过感知刺激来增加在脑电图信号中可识别的特征。利用视觉皮层的fMRI信号，研究者可以对视觉形象进行重构。重要的是，植物人或最小意识状态的病人的想法，能被设备捕捉且解析出来，并作出反应。
脑机接口研究的目的是为残疾人连通与大脑直接联系的实用辅助设备。运用fMRI的一个明显局限性，就是被观测的人必须一直处于扫描仪前。最近这些年，需要进行脑部手术的侵入性设备获得了实质性的进展，比如可以通过植入电极帮助瘫痪病人。这些植入的电极发出的信号可以被附近的脑电图仪读出来。这样通过运动皮质的电信号活动，可以解读出移动手臂的意图。解读瘫痪患者的运动意图，可用于控制手臂肌肉运动、使嘴张开等。
在人类和猴子中，电极阵列可以同时记录数百个神经元的活动。但更先进的细胞图像技术甚至可以超过几个数量级。由于每个动作都会引起钙流入神经元，所以可以用基因编码的钙指示剂（GECIS）来检测。在小鼠中，将部分头骨替换为玻璃的窗口，能在一个动物中记录百万个神经元的活动。许多研究都是用转基因小鼠来持续表达GECIS的，但工程病毒可诱导非转基因动物的表达。尽管存在着技术方面的挑战，比如如何接近脑组织和应用高精度的显微镜，克服这些挑战，就能在人类中记录百万级神经元。
在以后，要对这么多神经元的活动模式进行解释是很有挑战性的。传统的线性译码方法是相对成功的，并会继续下去。为了面对挑战，机器学习的发展已产生了面对大数据的解码方法，基于神经网络可以提取更多的信息。例如，深度神经网络（DNNs）已经被用来解释复杂视觉刺激的活动模式，和更精准地预测神经细胞对刺激的反应。
写入：输入大脑
影响神经元活动的方法在最近这些年得到飞速的发展，比如几个可以影响大脑活动的非侵入性方法是：经颅磁刺激（TMS）、经颅直流电刺激（tDCS）和聚焦超声刺激（FUS）。然而，这些手段的效果是有限的，而且它们影响脑部活动的确切原理仍有待确认。
能够准确影响神经活动的，在近阶段还是对神经系统有侵入性的方法。在外周神经系统中，比如人工耳蜗的植入，现在已经成为治疗耳聋的一种有效方法。运用视网膜芯片，对视网膜残余细胞进行电刺激，迈出了恢复视觉功能的第一步。化学或光遗传学刺激方法也可以提高视网膜的光敏感度。
有时，人造的感觉信息不能通过周围神经系统来让大脑感知到。例如，在视网膜和视觉神经系统受损严重的盲人，就是这样。研究者们一直梦想着，用电刺激直接作用于大脑视觉皮层的模式。大脑视觉皮层包含了一个2D的视觉场。通过使用皮质假体，多重电刺激神经元能构建出一个个像素的粗略视觉感知。另外在未来，假肢可以激活多重脑电波来联合使用，获得更真实的感觉。
将信息直接写入更高层次的大脑区域中，需要理解复杂的思想是如何在大脑中活动的。激活大脑一些区域的活动，可以直接控制对象的情绪状态和行为能力。其中的原理很复杂。例如，在人体，刺激上丘、顶叶皮质等大脑区域能够调节空间注意力。
输入大脑方式的治疗潜力，以脑深部电刺激术（DBS）治疗帕金森病的症状为例。临床试验还探讨了DBS在治疗精神障碍，比如抑郁症和强迫症上的尝试。未来的技术发展会增加治疗的准确性。
读写结合
强有力的脑机接口应用可能同时包括读出和写入。这种方法已被用于增加电子机械臂的可控性，从大脑皮层中读取运动命令并发出反馈信号。
闭环的脑深部电刺激术，依赖于监测大脑活动，是大脑意识读出和写入相结合的实例。在帕金森患者中，下丘脑核（STN）的电位场振荡可以给出患者临床状态的实时信息。这些振荡扫描，可以用于控制电刺激的程度和限制刺激的时间。这种限制增加了电池寿命，减少了可能产生的副作用。
能够读取意识和输入大脑的新技术，会给病人带来明显的好处。在神经科学的发展中，我们将能够见到更多复杂的感觉设备，和更有效的脑机接口来控制义肢和电脑。这些应用可能有更深远的影响，比如增强个人健康的功能，提高认知与计算机模拟现实的辅助教学。
伦理问题
最后，神经网络技术的进步，会触及到一个人的隐私问题，将不得不讨论可能的伦理问题。科学家的观点是要慎重考虑神经技术的伦理后果。例如，意识读出和大脑写入的结合，有可能让大脑不受病人的控制，因此，它会干扰一个人的自主，改变个人对自己的认同感。
因此，当前伦理医学框架可能需要拓展，还要设置对高水平意识读出和大脑写入的具体指导。
目前在伦理上的争论，可能会促进从患者的体验，来开发评估标准和验证工具，评价对自主性的影响，并设计出研究指南来保护患者的隐私和自主性。
所以，脑机接口并不可怕，最大的收益者是身体有残疾的人，新的神经技术将能让他们平等地和我们生活在一起。
参考文献
Mind Reading and Writing: The Future of Neurotechnology. Trends in Cognitive Science，https://doi.org/10.1016/j.tics.2018.04.00返回搜狐，查看更多
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