所謂“腦機(jī)接口”（Brain-Machine Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)BMI；Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)BCI），顧名思義，就是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接接口，其目的是用來(lái)實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這里所謂的“直接”，指的是不依賴(lài)于正常的由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路，實(shí)現(xiàn)“腦”和“機(jī)”之間的直通。

探索大腦的歷程

腦機(jī)接口技術(shù)的靈感是伴隨著人類(lèi)對(duì)于大腦功能的探索而產(chǎn)生的。

最初，人們并沒(méi)有認(rèn)識(shí)大腦的特殊性，更沒(méi)有認(rèn)識(shí)到其具有思維的功能。例如，古埃及人就認(rèn)為，大腦這團(tuán)丑陋的白肉只是“顱骨的填充物”，而亞里士多德則認(rèn)為大腦其實(shí)是血液的冷卻機(jī)。

直到公元162年左右，古羅馬學(xué)者蓋倫才開(kāi)始猜測(cè)大腦而非以前所認(rèn)為的心臟是人類(lèi)思維的主要器官。他指出，大腦會(huì)產(chǎn)生一種神秘的“精氣”，這種看不見(jiàn)摸不著的東西會(huì)周游全身，并控制各個(gè)器官的行動(dòng)。在當(dāng)時(shí)人們的眼中，蓋倫的觀點(diǎn)就是典型的離經(jīng)叛道。但在數(shù)百年后，人類(lèi)歷史進(jìn)入啟蒙時(shí)代后，卻有越來(lái)越多的智者開(kāi)始接受蓋倫的觀點(diǎn)，其中典型的代表就包括大哲學(xué)家笛卡爾。

后來(lái)，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)電有了初步的認(rèn)識(shí)。于是就有人猜測(cè)，蓋倫所講的“精氣”會(huì)不會(huì)就是一種生物電呢？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們用實(shí)驗(yàn)給出了答案。18世紀(jì)末，以伽伐尼、伏打?yàn)榇淼囊慌獯罄茖W(xué)家嘗試用電去刺激青蛙，從而控制青蛙的肢體反應(yīng)。通過(guò)這種方法，他們證明了電確實(shí)可以扮演蓋倫所說(shuō)的“精氣”的角色，對(duì)動(dòng)物的肢體進(jìn)行控制。不過(guò)，生物電究竟是在人體內(nèi)沿著怎樣的路徑、通過(guò)怎樣的方法進(jìn)行傳播依然是一個(gè)謎。

19世紀(jì)，細(xì)胞學(xué)說(shuō)開(kāi)始普及。借助顯微鏡等工具，人們開(kāi)始對(duì)生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。當(dāng)人們觀測(cè)到腦部的神經(jīng)細(xì)胞時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一些不同：在身體的其他地方，細(xì)胞都是以細(xì)胞膜為邊界的離散單位，但大腦中的細(xì)胞卻似乎都帶著一根長(zhǎng)長(zhǎng)的纖維。這些纖維會(huì)延伸到身體的各個(gè)部分，并彼此交錯(cuò)，構(gòu)成一張網(wǎng)絡(luò)。這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)整體，還是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞構(gòu)成？

解開(kāi)這個(gè)謎題的是西班牙醫(yī)學(xué)家兼藝術(shù)家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）。1888年，他用一種被稱(chēng)為“高爾基染色法”的方法對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行了染色，通過(guò)對(duì)染色后的圖形進(jìn)行觀察，他發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)整體，而是由一個(gè)個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞組合而成的（注：有意思的是，“高爾基染色法”的發(fā)明者卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）卻認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)整體。1906年，這位和卡哈爾在觀點(diǎn)上截然對(duì)立的學(xué)者和卡哈爾一起因在神經(jīng)領(lǐng)域的研究而分享了當(dāng)年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）。

不久之后，德國(guó)解剖學(xué)家威廉·馮·瓦爾德耶（Whilhelm von Waldeyer）總結(jié)了卡哈爾以及其他的一些貢獻(xiàn)，并正式將神經(jīng)細(xì)胞命名為了“神經(jīng)元”（neuron）。

現(xiàn)在，借助于更為先進(jìn)的觀察設(shè)備，我們已經(jīng)可以十分清楚地看清楚神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)：每一個(gè)神經(jīng)元都由“胞體”和“胞突”構(gòu)成。其中，胞突有長(zhǎng)有短，長(zhǎng)的被稱(chēng)為軸突（axon），短的被稱(chēng)為樹(shù)突（dendrite）。卡哈爾在觀測(cè)到了神經(jīng)元的形狀后就曾經(jīng)猜測(cè)，這些“胞突”結(jié)構(gòu)很可能是為神經(jīng)元之間傳遞信息的一種結(jié)構(gòu)：其中軸突就好像電報(bào)線，來(lái)完成不同神經(jīng)元之間的信息傳遞，而樹(shù)突則主要充當(dāng)接收器的角色。有了這種結(jié)構(gòu)，生物電，或者“精氣”就可以在不同的神經(jīng)元之間進(jìn)行傳遞。雖然在當(dāng)時(shí)，卡哈爾的以上猜測(cè)完全是一種基于直覺(jué)的判斷，但后來(lái)的研究證明，他的這些猜想基本是正確的。

具體來(lái)說(shuō)，神經(jīng)元類(lèi)似于一個(gè)裝有液體但卻有漏洞的袋子，它的細(xì)胞膜由磷脂雙分子層構(gòu)成，可以選擇性地讓一些離子通過(guò)。在自然條件下，神經(jīng)元存在于水介質(zhì)當(dāng)中，其內(nèi)外的各種離子濃度是不同的，而這種濃度的差異就造成了細(xì)胞膜內(nèi)外電勢(shì)差的存在。當(dāng)神經(jīng)元接收到某個(gè)足夠強(qiáng)的生物電信號(hào)后，鈉離子的通道就會(huì)被打開(kāi)，細(xì)胞膜外的鈉離子就會(huì)迅速流入細(xì)胞，這時(shí)細(xì)胞膜點(diǎn)位就會(huì)迅速上升，直到上升到一定的程度，鉀離子的通道被打開(kāi)，鉀離子流出細(xì)胞，細(xì)胞膜的電位才會(huì)下降。這種膜電位先上升后下降的過(guò)程就被稱(chēng)為“鋒電位”（spikepotential）。鋒電位會(huì)首先發(fā)生在胞體和軸突的連接點(diǎn)附近，然后隨著軸突向其他神經(jīng)元傳播，而其他神經(jīng)元?jiǎng)t可以通過(guò)樹(shù)突來(lái)接收這一切。通過(guò)這種方法，由神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)就扮演起了生物電在人體內(nèi)的通路的角色，各種刺激產(chǎn)生的信息以及大腦的各種指令，也就可以沿著這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播了。