脑机接口这个行业，有人在做科研，有人在治病救人，还有人，天天在忽悠。
序
作者曾经在脑机接口领域创业了三年，国内大大小小的做脑机接口的科研院所跑了很多次，和同行也有很深的交流，后来转行进入股权投资做了小VC，但也总在关注着脑机接口行业的最新发展。16年在脑机接口领域创业时，脑机接口还停留在非常科幻的阶段，也鲜有投资人关注脑机接口这个领域，但这两年，随着元宇宙的爆火，一群人号称脑机接口将是元宇宙的终极入口，终极入口的魅力吸引了一大批投资人的关注，最直观的感受是，很多从来没有投过脑机接口的投资结构开始看脑机接口这个领域，也有很多人问我关于对脑机接口行业的看法，其中有比较资深的投资人，也有很多对这个领域是完全陌生的小白，带着对终极入口的崇拜而来，希望可以提前布局在元宇宙入口。
脑机接口确实是个吸引人眼球的话题，每次马斯克发布neurolink的最新动态时，也总能在朋友圈刮起一阵不小的风，但是不得不说，很多的公众号为了吸引人眼球，总是将很多读者可能有生之年都见不到的场景，描绘的栩栩如生，仿佛明天，脑机接口就将大幅改变我们的生活。
那么，脑机接口到底能不能带我们走入元宇宙呢？真实的脑机接口现状到底是什么样子的呢？作者希望通过连载的几篇文章，系统地介绍下脑机接口。
初步计划如下：
上篇主要从复杂系统的角度来讲讲大脑的不可精准预测性，然后再介绍一下脑机接口的基础概念、工作方式及核心组成，以构筑起脑机接口的整体框架。
下篇先针对上篇提到的不可精准预测性，讲讲目前的应对方法，然后介绍一下目前的行业进展，尽量覆盖更多的脑机接口行业的创业公司，包括马斯克的neuralink、国内刚刚获得红杉、经纬等头部基金投资的脑机接口创业公司、其他业内知名或不是特别知名的创业公司等，并从作者个人角度，来讲讲这个细分领域到底是否靠谱？（可以稍微透露下作者的看法，大部分是忽悠，连自己都没搞清楚大脑，就在试图用脑机接口为别人服务）
一、人类对大脑的认知
大脑的运动本质上是神经电信号的运动，人类目前对大脑的认知，基本还处在一个非常混沌的状态，对于很多精神类疾病，例如阿尔兹海默症、帕金森、癫痫等，人们还没有找到根本的病因（有一些大体的推断），更无从说是实现精准的治疗。小李子主演的电影《禁闭岛》曾描绘过一件精神病史上的大惨案，大约发生在20世纪50年代。
电影本身剧情紧凑，虽然在最后发生惊天逆转，但是回头再看第二遍时，才发现，全篇到处都是伏笔。有兴趣可以看看，但本文和电影本身无关，主要想讲讲电影背景中的前额叶切断术。1949年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了瑞士科学家Walter Hess和葡萄牙神经科医生Egas Moniz，后者因发明了前脑叶白质切断术而获此殊荣。因为该项技术最后给超过10万人造成了不可逆的损伤或者死亡，这一次诺贝尔奖也被称为最“眼瞎”的一次授奖。
手术的起因在于美国发现前额叶皮层对情绪和攻击行为的调控上发挥了重要的作用，有人通过实验破坏了黑猩猩的前额叶皮层，结果原来暴躁的黑猩猩变的温顺祥和、人畜无害，而当时，对于有暴力倾向的精神病人来说，还没有任何有效的治疗方法，前额叶功能的发现，让Moniz开始研究前额叶切除术，具体的操作流程如下：先把病人重度电击麻痹；病人进入无意识状态后，通过每只眼睛的上面刺入破冰锥并通过徒手搅动破冰锥来切除前额叶。这种手术不但简便快捷，而且还不需要很严格的消毒措施，只需要简单的电击工具、破冰锥、小锤子和简易的手术台便可执行，因而一经发明便大受欢迎。
但是手术的副作用也随着手术病例的增加而显现，除了4%的死亡率外，最大的影响是这些病人的高级思维被破坏，变的神情呆滞、任人摆布，变成了行尸走肉，一位母亲甚至这样描述她接受过前脑叶白质切除术的女儿：“我的女儿完全变成了另一个人，她的身体还在我身边但她的灵魂却消失了。”
这里不再过多叙述这个手术的相关细节，如有兴趣，可通过观看电影或关注“东华君”的知乎订阅号了解更多详情。作者想讲述这个手术，主要是想告诉大家，人类，对于大脑的认知，还处在非常非常早期的阶段，看看就发生在几十年前的诺贝尔奖，通过冰锥来破坏大脑，对待神经疾病的应对方式，是何等的粗暴。
二、大脑是个混沌系统
前面的案例毕竟是70年前的案例，那现在，人类对大脑的研究又到了哪一步了呢？事实上，依旧非常的粗鄙。为了说清楚为什么大脑的研究那么难，为什么神经电信号运动那么复杂，作者想聊一聊混沌系统，这里的混沌，不是一个形容词，而是一门系统的科学理论。
要讲混沌系统，我们要从运动理论开始讲起，因为大脑运动的本质，是神经电信号的迁移运动。
亚里士多德是目前所知的最早论述运动理论的人，他的理论流行了1500多年。他的理论主要有两个，后来发现都是错的。首先，他认为地面的物体和天上的不一样，地上的物体在受到力的推动作用下才会运动，没有力，物体就会静止，而天上的行星，则围绕着地球不断做圆周运动。另外，他认为，石头落向底面主要是石头由土元素构成，而烟会上升主要是因为烟是气元素构成的。同许多理论家一样，亚里士多德在构造理论时，没有考虑试验验证，他的方法是用逻辑和常识引导理论，用试验对理论进行验证的重要性在当时并没有得到验证。
哥白尼、伽利略、开普勒是试验和观察科学的先驱，哥白尼提出行星不是围绕地球而是围绕太阳运行。开普勒在16世纪初发现了行星的运行轨迹不是圆，而是椭圆，他还发现了关于这种椭圆运动的几条规律。而开普勒不仅研究天上的运动，也研究地面的，他做了一些我们现在在中学物理课上会学到的试验：单摆、沿斜面滚动的小球、自由落体、镜面光线反射。在此之后，有了观察试验作为基础，科学革命的发生就不可避免了。
运动理论最重要的人物是牛顿，他可以说是凭借一己之力创建了动力学，为了创建动力学，还发明了让无数大学生深恶痛绝的微积分，用来描述运动和变化的数学。他不仅提出了著名的牛顿三大定律，并且提出了万有引力定律：两个物体之间的引力和两者质量的乘积成正比，和两者距离的平方成反比。牛顿深刻的意识到，这条定律适用于宇宙中的一切事物，无论是行星还是苹果，这个认识是现代科学的基石。
牛顿力学描绘了一幅“钟表宇宙”的图景：只要设定好初始状态，然后就遵循三条定律一直运行下去。拉普拉斯（学过高等数学的应该都认识他）认识到这其中蕴含了可以如钟表般精准预测的观念：他在1814年断言，根据牛顿定律，只要知道宇宙中所有粒子的当前位置和速度，原则上就有可能预测任何时刻的情况。
当人们沉浸在未来一切皆在掌控之中的梦想之中时，20世纪的两个重要发现摧毁了这一梦想，1927年，海森堡提出了量子力学的“测不准原理”，证明测量粒子位置的同时，不可能又准确测量其动量（质量乘以速度），对于其位置知道的越多，动量就知道的越少，反过来也一样。不过测不准原理只是针对量子世界微观粒子的测量，大多数人都只是觉得他挺有趣，但是在宏观尺度的预测，应该没有多大影响。
然而混沌的发现给了精妙预测的梦想最后一击。混沌指的是一些系统，混沌系统，对于其初始位置和动量如果有极其微小的不精确，也会导致对其的长期预测产生巨大的误差，这就是常说的“对初始条件的敏感依赖性”。对于这样的混沌系统（例如飓风），一点点误差，不管多小，也会导致长期预测很不准确。
混沌现象在很多系统之中都被观测到了，例如心脏紊乱、大脑、瑞流、电路、水滴，还有许多看似无关的现象，现在混沌系统的存在已经成为了科学中公认的事实。
牛顿用经典力学解决了两个物体之间的运动，即二体问题。著名的数学家庞加莱为了解决一个比预测飓风简单的多的问题时，也发现了一个混沌体系，三体问题，即是否可以用牛顿力学通过万有引力定律预测三个物体的长期运动，但是他没有成功，这个问题太复杂了，为了解决这个问题，他创建了一个新的数学分支——代数拓扑。
明白作者为什么要花这么多的篇幅来讲运动理论了吗？大脑也是一个混沌系统，三个神经元相互作用下的长期运动趋势，我们都不可精准预测，更何况人类有几百亿个神经元。对大脑的研究的制约大抵在这几个方面，一个是计算问题，随着超级计算机的发展，这个问题大抵可以解决，但是混沌现象，可能是精准预测永远也跨不过去的鸿沟。
下面这个视频描述了神经元的一些基础概念。
神经元是大脑最简单的个体，神经元的活动以及神经元群的连接模式决定了感知、思维、情感、意识等重要的宏观大脑活动。
神经元主要由三部分构成：细胞体、树突（接收其他神经元信号）、轴突（向其他神经元发送信号），大体上，神经元可以处于活跃状态（激发）和非活跃状态（未激发）。当神经元通过树突从其他神经元接收到足够强的信号时，他就会激发。激发时会通过轴突传出电信号，然后释放出神经递质转化成化学信号，化学信号又会作用于其他神经元的树突对其进行触发，从而从整体上产生非常复杂的行为。对于单个神经元的行为和庞大的神经网络如何产生出大脑的宏观行为，科学家也没有弄清楚。他们不知道神经元信号的意义，不知道大量神经元如何一起协作产生出整体的认知行为，也不知道他们是怎样让大脑能够思维和学习新事物，甚至不知道，如此强大的信号系统是如何进化而来的。
看到这儿，大家应该明白，我们大抵是没法在神经元级别去精准预测一些人的宏观行为了，但是也不要对未来的脑科学研究产生太悲观的情绪，受限于篇幅原因，下篇的时候作者再讲讲熵增理论和统计力学，从另一个角度来看看如何研究脑科学。我们还是先回归到正题：脑机接口。
三、脑机接口的基础概念
什么是脑机接口呢，顾名思义，脑机接口即大脑与计算机的接口，以及围绕这一接口正常工作所配置的其他装置。基本上目前所有在做或者想做脑机接口的，都逃离不出下图的脑机接口的工作方式。
核心的工作内容有几块：
高品质脑电信号的采集
这里面非常重要的一个器件是脑微电极，他的主要作用有两个，一个就是采集脑电信号（记录电极），还有另外一个作用，将外部的反馈信号或控制信号传输给大脑（刺激电极）。
脑微电极的核心技术指标有几个：
1）小，越小越好。因为电极要植入大脑中，植入会产生损伤，小尺寸有利于减小这种损伤。
2）多通道，通道越多越好。尽量多的通道是为了采集到更多的脑电信号，有利于后续的信号处理。
3）生物相容性。我们都知道，我们所生活的世界充满了细菌、病毒，而我们之所以能长期存活，是因为我们的身体对于一切不属于我们身体自身的事物，都会本能的排斥，即免疫反应，具体到脑电极而言，如果电极的生物相容性不好，就越容易被身体的免疫系统识别，逐渐在脑电极的周边裹上神经胶质细胞，电极的信号通道被覆盖后，将影响所采集到的脑电信号的采集强度，甚至采集不到。PS：要提高生物相容性，主要要从材料学入手。
下图是业内非常知名的一款脑电极，美国blackrock（做神经科研仪器的一家公司）的utah array，它采用的硅刻蚀的方式制备的电极，这款电极是第一款被FDA批准可用于人体的电极，价格也非常的昂贵，几年前问浙大的老师，价格大抵在大几千到1万元左右/个，而且电极是一种耗材，每次做完一次试验，至少需要耗费一个电极，作者曾与一位做灵长类神经科研的老师聊天，为什么utah array这么贵，还要用，老师回答：一方面我们的猴子也很贵，一只猴子就好几万了，另外，每个研究生2-3年的时间里，基本都围绕着一只猴子转（那个课题组的猴子待遇非常好，每天有研究生带着看电视），如果植入的电极有问题，那损失将会更大。
下面这个图展示的neuralink公司（是的，你没看错，就是那个每次发新闻，都会在圈内圈外引起一阵热议的马斯克搞脑机接口的公司）所研发的脑电极，与utah array的主要区别点在于，nauralink的通道数更高（1024通道），同时，采用了柔性电极材料（为了进一步减少对脑组织的损伤，并提高生物相容性）
2.脑电信号处理
按照脑电信号采集位置的不同，通常行业内将脑机接口分为三类：
1）植入式脑机接口：打开颅骨，穿透硬脑膜，插到大脑内部。（只要电极精度高，插得准，可以直接采集单个神经元的spike信号，信号质量最高）
2）贴片式脑机接口：打开颅骨，贴在硬脑膜上。（信号精度介于植入式与非植入式之间）
3）非植入式脑机接口：颅骨也不打开了，直接从颅骨上采集场电位信号（内部神经元在外部形成的综合信号，信号质量不高，容易受外部影响）
所谓脑电信号处理，即通过一定的硬件（电生理信号分析仪等）与算法，对脑电信号进行特征提取与分类判断。刚刚获得盛大、红杉等投资9700万的脑虎科技、成立于2019年11月的宁矩科技所做的脑机接口芯片即用来做脑电信号处理。
3.信号输出\动作执行
根据上一步处理过的脑电信号，来实现对外部器械的控制，在这个领域，也有众多的创业公司在做，例如利用脑电信号控制康复器械，国内的迈联医疗（浙大背景）、臻泰智能（西交大背景），例如利用脑电检测实现睡眠管理，或者根据特定位置的脑电信号特征，检测佩戴者的注意力集中度（用于学生的专注度训练及多动症治疗），或者是实现意念控制机械臂、玩具等，这里面的公司非常多，其中，有真的想做好一些事的，也有一些，可以说纯粹在忽悠，一遍又一遍的和投资人讲着那些看似美好的刚需与痛点，实则是需求不刚，痛点不痛，在下篇的具体介绍中，作者会更详细讲讲这些细分行业内所谓的痛点，为什么不痛，以及从技术角度，扒一扒他们所谓的神奇的算法与控制，到底是什么？
4.信号反馈
我们依旧从非植入式脑机接口和植入式脑机接口来讲讲信号反馈。
基本上非植入式脑机接口在信号反馈这块可看的不是特别多，因为神经元放电本身是个特别复杂的过程，而针对颅外的信号反馈（放电），所能产生的效果，在目前阶段看来，可能是毫无依据了，可能在某些街边理疗店，有头部理疗这种项目，但是我个人基本把这划归在智商税领域。
与上面智商税形成鲜明对比的是，在植入式脑机接口+信号反馈这块，却是非常严谨的医学问题，目前，对于一些退行性神经疾病的治疗，脑机接口是最后的治疗方式，例如癫痫，癫痫的发病机理大概是这样子的：原本呢，大脑各部分各司其事（各自有规律的放电），但是有的区域，没有办法好好工作了（放电紊乱），癫痫病人不知道什么时候就会出现抽搐、倒地、昏迷等症状，轻度癫痫可以通过药物控制，但是在药物控制无效的情况下，手术是最后的治疗方法，通过对大脑异常位置植入刺激电极，在检测到放电异常是，反向对该区域施加特定的电刺激，来控制这种紊乱的放电，甚至如果这个大脑区域不是特别重要的话，也可以直接将这块消融了。
除了癫痫，还有其他一些疾病，例如帕金森、特发性震颤、肌张力障碍、强迫症等，也可通过这种方式来治疗，国内大概从2000年以后，即有一些科研院所和企业往这个方向在发展，例如品驰医疗、景昱医疗（前不久刚获得红杉中国和高瓴创投等的3亿元融资）等企业，下篇也会做一个简要介绍。
参考资料：
知乎订阅号“东华君”关于前额叶切除术的部分内容
美国作者梅拉尼·米歇尔的《复杂》中的部分内容
作者：科飞同学
编辑：科飞同学
脑机接口的下篇内容正在撰写中，下篇内容将带你揭秘目前脑机接口领域的真实发展现状。
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