脑机接口让截瘫残疾人站起来为世界杯开球。尼克雷拉斯团队Associação Alberto Santos Dumont para Apoio à Pesquisa (AASDAP)供图。
最近脑机接口火了，风头盖过量子力学，与自动驾驶汽车争新闻版面。在虚拟沙龙Clubhouse上，周末晚上经常几百个人聚在一起讨论。朋友们听说我是搞神经科学的，就缠着我问各种各样的问题，经常一个接一个地提问题，让我口干舌燥答上几个小时，聊到清晨方散。公众对神经科学技术方面的兴趣出乎我的预料，热情远超在读研究生。技术问题千头万绪，在此我想把聊得最多的几个技术问题整理一下，献给《赛先生》的读者。
外行看热闹，内行看门道，脑机接口也不能免俗。很多其他行业的小伙伴觉得脑机接口绝对是黑科技，神秘得像科幻电影，而业内人士则经常抱怨新闻太商业化，噱头多于科学进展。我碰到这类讨论往往是笑而不语，然后用故事让听众进入场景，自己产生答案。第一个故事是测量人脑电活动的先驱，德国医生汉斯·伯格（Hans Berger）。那是在1924年，测量人脑的电还是不被主流科学认可的“民科”。
伯格不得不背着人，躲在地下室里偷偷研究。当时最大的问题是电子仪器还没有出现，没有办法放大仅有手机电池万分之一的微弱信号。
幸运的是，伯格后来遇到到一位半个头骨缺失的一战伤兵。今天我们知道，隔着头骨测脑电就像隔着毛玻璃窗拍照片，信号大受折扣。而头骨缺失让脑电信号加强了很多，这使他坚定了人的脑电确实存在的信心。之后他不断地改进了技术，终于在正常人的头皮外面测量到了脑电。从神经科学的历史上看，把电线通进脑子里的先驱，都是要得诺贝尔奖的。可惜汉斯·伯格却没能熬过第二次世界大战，在去世前只得到了数年的诺奖提名。
今天，我们用几毛钱就能买到一片芯片把脑电放大千倍，轻易地把汉斯·伯格的实验演示在小学生的教室里。这种演示常有轰动的效果，比如睁眼闭眼时脑电信号很不一样，让体验者非常惊讶。几年前，我的学生把一个我自制的简单脑电装置带到美国国会山上举行的科普活动上去，哄得很多人排队体验。
那么1924年的科学，到今天还是黑科技吗？答案是肯定的。科学发现永远能在适当的时候变成先进的技术。
面对浩瀚的文献海洋，我只举两个有新闻效应的例子，一是2014年脑机接口的先驱米高·尼克雷拉斯为了宣传脑机接口，成功地用利用脑电信号指挥机器外骨骼，让一位瘫痪的人给FIFA世界杯足球赛开球。第二个例子是2015年，清华大学的脑机接口团队用脑电驱动键盘打字，达到了每分钟60个字母的速度，之后，在2019的世界机器人大赛上又刷新了世界纪录，达到每分钟打145字。
能用脑电打字，就能让完全失去运动能力的人基本正常地与人交流。
既然从头皮外记录脑电的非入侵脑机接口那么强，为什么业内人士却多在研究一种需要手术打开脑壳的入侵式脑机接口技术呢？这是因为非入侵脑电技术有其不可逾越的极限。这就是前面提过的，隔着头骨头皮测量脑电，就像隔着毛玻璃照相，再贵的照相机也发挥不出自己的优越性。头皮外测到的脑电只能携带非常有限的信息。
入侵和非入侵技术哪家强？答案是各有千秋。非入侵技术门槛低，健康人也可以用，此迷人的魅力吸引了无数业内人士和IT界的创业者。而入侵式技术信息传输量大，这种高信息传输速度是非入侵脑电技术永远无法达到的。2021年5月，《自然》杂志刊登了一篇入侵式脑机接口的文章，瞬间引爆新闻。讲的是用在一位高位截瘫的患者脑中植入一百多根微电极，使他能实现每分钟手写90个字符，这速度与和平常人用手打字的速度差不多了。
微电极技术的崛起并非马斯克发明的黑科技，但他确实做出了很大的贡献。评价马斯克的贡献需要了解一下微电极的原理，以及科学原始发明与资本跟进的关系。测量单个神经细胞信号的电极，尺寸需要很小，所以叫微电极。神经细胞的大小只有芝麻粒的十分之一，所以电极的尺寸也要很小。这有点像在闹市中采访一个人，麦克风要小，也要靠近。如果人身边的麦克风像大巴士那么大，那么人声就会淹没在周围的噪声之中。
钨微电极进入大脑，解决了玻璃微电极不能穿过保护大脑皮层的硬脑膜的问题。钨合金是造坦克用的，比钢还硬，穿过硬脑膜完全没问题。但是，怎样把这么硬的金属做成微米尺度的微电极呢？聪明的发明一般都很简单，秘密说出来就像窗户纸一捅就破。方法就是把钨丝放在盐水里，再通上电。电流可以剥夺金属晶格里的电子。一旦金属晶格被破坏，坚硬的钨就会像糖块一样在盐水里溶化。
微电极从一到多，当微电极达到能成功地记录大脑中神经细胞的活动时，下一步的需求就是能同时记录尽可能多的神经细胞活动。大脑皮层活动时经常有几十亿个神经细胞同时参与，所以脑机接口有几百，几千，甚至几十万根微电极都不算多。目前的脑机接口技术已经使用几百到几千根电极。那么，怎样能制造并同时应用这么多根微电极呢？神经科学家想到了蓬勃发展的半导体集成电路技术。
所谓集成电路，就是在一块硅片上画出很多条电路，把大量晶体管器件联系起来。用同样的技术，也可以做成很多与神经细胞接触的电极表面和电极引线。
从硬到软，跨进一大步。脑组织是像豆腐一样软软的，而且在日常活动中经常变形或移动。坚硬的微电极，无论玻璃，钨还是硅，都不能随脑组织移动，这种电极和脑组织之间的相互运动就能造成损伤，像筷子搅和了绿豆粥。
相互运动造成围绕电极的微损伤会引发局部炎症和与瘢痕类似的胶质细胞增生。胶质细胞增生会挡在电极和神经细胞之间，会让信号逐渐减弱，就像在麦克风与讲话的人之间挡上一层棉被。信号减弱问题是限制犹他电极阵广泛应用的主要原因——装电极阵是个对患者有潜在危险的开颅手术，谁也不愿意刚装上电极后几个月或几年后电极就逐渐失效了。
把电极杆变软就可以让电极像海草一样随组织的位移而波动，大大减少围电极微损伤。
但把柔软的电极插进脑组织有很大困难，想象一下，怎样能把一根柔软的绳子垂直插进泥潭里呢?这时钢铁侠马斯克出场，解决了这个柔软电极的世界难题。他的办法就是“缝纫机”——用坚硬的钨针把柔软的电极带进脑组织，然后针被拔出，而把柔软电极则留在脑组织之中。目前尚不知道这个聪明的想法是否来自马斯克本人，虽然他也是非常聪明的发明家。马斯克有钱买买买，是催生这项技术的重要因素。
我们都说科学技术的进步来源于科学家脑中的灵光一闪，但这种灵光一闪出现得太多了，像夏天草原上的萤火虫，远远近近此起彼伏。如果没有强大的资本跟进，绝大多数闪光只能自生自灭，或者在几十年后被重新发明。钢铁侠的不可替代的作用是用资本把发明的过程大大加速。
大脑皮层上的缝纫机，这缝纫机是自动植入软电极的机器人。缝纫机针是头发丝直径的钨合金针，其尖端可以轻易地插进脑组织。
旁边有几个照相机看着，自动避开脑子表面的血管，这样使植入电极的过程变得很安全，很少有出血的情况。软电极是用塑料薄膜做的。在聚酰亚胺塑料薄膜上，可以用制造芯片的光刻技术画上细小的图案，再镀上导电的聚合物或金属薄膜，形成细电线和与脑组织接触的电极表面。缝纫机的每一针把薄膜带下一窄条，变成一根柔软的带子插进脑组织，每根带子表面是32个与神经细胞接触的电极。
这样一针一针，一次手术可以植入3072个柔软电极。这是目前的世界纪录。
未来：最后一微米工程，预测未来属于脑洞大开式的幻想了。幻想不是乱想，也要根据前面百年神经科学发展的历史。笔者根据自己浅薄的知识和有限的想象力，认为脑机接口的关键在“最后一微米”，就是电极和神经细胞的接触界面。为此我构思了几种脑机接口的未来方向和需要攻破的技术瓶颈。由于篇幅所限，本文只限于历史故事，而把对未来的展望留在下篇叙述。