2022年9月，美国国会的下属机构政府问责局（Government Accountability Office, GAO）发布了题为《脑机接口》（Brain-Computer Interfaces）的焦点报告，介绍了脑机接口技术的原理与技术成熟度，脑机接口技术的风险、机遇与挑战，并提出了政策制定者应考虑的4个问题。

脑机接口：概念、关键技术、机遇与挑战

编译：学术plus高级观察员 TAO

本文主要内容及关键词

1.脑机接口技术(BCI)：技术原理；技术成熟度主要处于实验阶段，军用BCI也在研发中

2.风险、挑战与机遇：2021年10月，美国商务部工业和安全局拟将BCI纳入出口管制，因为敌对国家可能利用美国出口的BCI技术获得军事或情报优势；在国防和太空领域，BCI可以加速和简化人与机器之间的交互

3.评述：脑机接口是当前脑科学和人工智能领域最活跃的研究方向，也是新一轮科技革命和产业变革的重要战略方向，有可能颠覆传统的人机交互模式，实现人与万物互联。但目前主要处于实验阶段，其在发展和应用过程中存在技术、安全与隐私、伦理和公平等方面的挑战

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BCI 技术可为用户

脑机接口（BCI，brain-computer interface）允许用户使用脑信号来控制外部设备。用户凭借思想并利用脑机接口技术来控制机器，脑机接口可以增强人与机器之间的交互，改善国防等领域能力。比如，作战人员可以在战场上通过脑机接口控制无人机。

此外，研究人员还开发了通过脑机接口技术控制的机器手，可以为用户提供触感。脑机接口技术通过允许用户控制机器来扩展人的能力，如图1所示。

图1 BCI应用示例，包括智能拼写工具、智能手机接口、BCI无人机、机器手

1.1 技术原理

新BCI用户需要进行严格迭代的训练过程。用户需要学习如何产生BCI可识别的信号，BCI会使用机器学习技术来翻译这些信号，从而操作BCI设备。

一般来说，BCI与人脑连接的方式有两种：植入式BCI设备和可穿戴BCI设备（图2）。

图2 植入式BCI（左）与可穿戴BCI（右）

植入式BCI是指通过外科手术将BCI设备直接与脑组织相连接，这种方式更加适合具有严重神经肌肉疾病或身体损伤的用户。比如，瘫痪的用户可以将植入式BCI置入特定神经元以重获手臂的控制能力。植入式BCI可以直接度量来自人脑的信号，减少其他组织的干扰。但植入式BCI也会引发感染、排斥等手术风险。为此，部分BCI通过大脑皮层电描记术(ECoG)来减少相关的风险，即将电极放置在头部（非植入）。

可穿戴BCI需要一个导体帽来度量头皮上可检测到的大脑活动。可穿戴BCI更加适合虚拟现实、游戏、工业机器人等场景。大多数可穿戴BCI使用脑电图学（EEG）来度量人脑电磁活动。最新的功能近红外光谱成像技术（FNIRS）通过近红外光照射脑部，通过脑部血液流动来检测大脑皮层活动与用户的意图。

为增强移动性，研究人员开发了使用可移动方法的BCI来获取数据，比如无线EEG技术。这些方法允许用户在自由移动的同时操作智能手机或其他设备。

1.2 技术成熟度

当前，大多数BCI都处于实验阶段。研究人员在19世纪70年代测试了首个可穿戴BCI，在19世纪90年代测试了首个植入式BCI。近年来，BCI研究明显提高，发表了上千篇学术论文。但目前只有不到40人植入了BCI设备，而且都是在实验条件下进行的。BCI开发的主要障碍有两个：一是每个人产生的脑信号都是唯一的，二是如何度量这些信号。

BCI研究主要关注生物医学应用，比如帮助中风、身体损伤或神经障碍的病人。2021年4月，一个使用无线EEG的头戴设备帮助中风病人重新获得手臂的控制能力，并成为首个获得美国FDA批准的可穿戴BCI设备。目前也有许多医疗用途的可穿戴和植入式BCI处于医疗实验中。

研究人员也开发了军事用途的BCI应用：

美国航天局研究人员使用BCI来帮助检测飞行员和空管人员易犯错的情景，并资助了Neurocog、RBSD等研究项目

美国国防部也资助了使用BCI技术来控制无人机的研究，如DARPA（美国国防部高级研究计划局）和美国陆军资助的Brain-Swarm Interaction and Control Interfaces项目

2.风险挑战

风险、挑战与机遇

2.1 ‍风险‍

目前，已经有研究人员开始关注BCI引发的潜在的法律和安全问题。比如，黑客可能利用恶意软件来拦截保存在智能手机中的脑信号数据。美国商务部也在评估BCI出口对国家安全的影响。2021年10月，美国商务部工业和安全局 (BIS) 出台新规拟将BCI纳入出口管制。因为敌对国家可能利用美国出口的BCI技术获得军事或情报优势。

BCI也可能会引发社会和伦理风险。可穿戴BCI的价格在几百到几千美元不等，可能会引发不平等的准入限制。此外，学习使用BCI需要训练，可能会加重用户的负担。有研究人员认为，通过BCI将脑信号翻译为语言如果不准确可能会造成危害。比如，不准确的翻译可能会产生用户本不同意的授权同意行为（consent）。

2.2 机遇

BCI技术具有很多好处：

BCI技术可以帮助残疾人。受到身体损伤或神经障碍的病人可以使用BCI技术来进行沟通，重新控制其肢体

BCI可以增强人的能力和人机交互。在国防和太空领域，BCI可以加速和简化人与机器之间的交互。同时，BCI控制的机器人也可以在危险环境下帮助用户，比如在危险的煤矿环境下

BCI有助于脑研究。科学家可以利用BCI来改善人们对于大脑的了解。比如，有研究人员使用BCI技术来检测植物人的情绪

2.3 挑战

BCI的挑战既包括技术挑战，也包括伦理和安全隐私挑战。

技术和用户挑战：每个人都会生成唯一的脑信号，因此很难去进行度量。此外，学习使用BCI也需要进行大量的训练

伦理框架：BCI可能引发关于用户知情同意的构成以及潜在不公平优势等问题

安全和隐私：BCI可能会遭遇网络攻击，比如窃取个人脑信号数据和干扰BCI设备的正常功能。

2.4 政策环境与问题

脑机接口技术目前主要处于实验阶段，也引发了安全、伦理和公平等方面的问题。GAO建议政策制定者考虑以下问题：

  • 目前BCI的方向是商用和病人使用，该技术是否可以被所有人使用？谁来负担其成本？

  • 如何确保BCI扩展人类的能力处于被监管的状态？

  • BCI可能会引发什么样的伦理问题？哪些BCI应用可能会引发伦理争议？

  • 采取什么样的措施可以缓解与脑信号数据收集相关的安全与隐私风险？

3.评述

脑机接口是当前脑科学和人工智能领域最活跃的研究方向，也是新一轮科技革命和产业变革的重要战略方向。当前脑机接口主要聚焦生物医学应用和军事用途，可以改善、增强这些领域人与机器之间的交互。

脑机接口技术有可能颠覆传统的人机交互模式，实现人与万物互联。同时，脑机接口被认为是元宇宙的关键技术，可为用户与元宇宙的交互提供新的方式。但脑机接口技术目前仍主要处于实验阶段，脑机接口技术在发展和应用过程中存在技术、安全与隐私、伦理和公平等方面的挑战。

参考链接：

https://www.gao.gov/products/gao-22-106118

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