本文作者：希瑟，头图来自：电影《X-men》剧照截图
硅谷钢铁侠ElonMusk成立的Neuralink，自年走入大众视野以来，一直是热门话题。近期，Neuralink的创始人ElonMusk又有了新的动作。
7月20日，Elon在Twitter上被计算机科学家奥斯汀·霍华德（AustinHoward）问道：Neuralink技术，可以实现直接从芯片听音乐吗？这位硅谷钢铁侠回答：是的！
这一回答，让很多对脑机接口不是很了解的人瞬间脑补了很多画面。科幻电影中的画面历历在目，在年上映的《黑客帝国》电影中，“矩阵”通过侵入式脑机接口和大脑神经连接，人类感受到视觉、听觉、嗅觉、味觉等讯号，以此囚禁人类的心灵。
在《X-men》中，X教授通过“脑波强化机”能够将脑电波放大，与任何人实现连接。在《阿凡达》电影中，主角通过EEG和EMG结合，能够控制纳威人的身体，在潘多拉星球上行动。
Neuralink告诉大家，年底或将进行人体实验，让群众感到脑机接口离我们的生活已经很接近了。
那么，在现阶段，脑机接口究竟靠不靠谱，它进展到什么阶段了，还面临哪些挑战？通过这篇文章，我们就来聊聊脑机接口很多你所不了解的事情。
脑机接口的基本原理
首先，有必要先介绍一下，什么是脑机接口？
所谓脑机接口（Brain-ComputerInterface,BCI），即在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立的直接连接通路。其中，“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统，“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅，“接口”=“用于信息交换的中介物”。因此，“脑机接口”的定义=“脑”+“机“+”接口”。
脑机接口基本的实现步骤可以分为四步：采集信号（SingalAcquisition）—信息解码处理（FeatureExtraction）—再编码（FreatureTranslation）—反馈（Feedback）。接下来，我们按照这个流程给大家逐一讲解各个流程的详细细节，以便后续理解脑机接口目前面临的困难究竟在哪。
1.采集信号（SingalAcquisition）
在讨论脑机接口如何做信息采集之前，我们需要了解一下人脑的构造。
如果将人脑做一个解剖面，从内到外依次是：头皮（Scalp）、头盖骨（Cranium）、脑硬膜（Duramater）、蛛网膜（Arachnoid）、软脑膜（Piamater）、大脑皮层（CerebralCotex）。
基于脑机接口对信号采集的形式，可分为三种：
侵入式（InvasiveBCI），即通过开颅手术等方式，向脑组织内植入传感器以获取信号的设备。其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织，进而导致信号质量的衰退甚至消失。ElonMusk的Neuralink采用的就是这种方式。
半侵入式（PartiallyinvasiveBCI），即安置在大脑皮层表面接受信号的设备，接口一般植入到颅腔内，但是位于灰质外，其空间分辨率不如侵入式脑机接口，但是优于非侵入式。优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小，主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。
非侵入式（Non-invasiveBCI），不进入大脑，即在头骨外检测信号的设备。这种形式像帽子一样方便佩戴。但是，由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发生的电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。典型的系统有脑电图（EGG），脑电图的优点是其良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。然而，脑电图技术的一个核心问题是它对噪声的敏感性较差。此外，使用EEG作为脑机接口，需要用户在使用之前进行大量的训练，才能更好地操作非侵入式脑机接口。
侵入程度越高，获得的信号质量和强度就越高，风险也更高。按照信号质量来排列：侵入式半侵入式非侵入式。按风险来排列：侵入式半侵入式非侵入式。
2.信息解码处理（FeatureExtraction）
收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。
分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图（EGG），皮层脑电图（ECoG）等模型可以协助分析。
信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、P信号分析、小波分析+奇异值分解等。
3.再编码（FreatureTranslation）
将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。
但编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上，比如小白鼠身上，控制它的行为方式。
4.反馈（Feedback）
获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉。
脑机接口实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。
Neuralink在技术上有哪些创新
我们可以先来看看走在领先水平的Neuralink的技术情况，来一窥目前的发展。
年Carmena写的论文是侵入式脑机接口领域的核心论文，这篇论文奠定了这个领域的基础。我们来对比年提出的“经典”方法，和Neuralink