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

探索大腦的歷程

腦機接口技術(shù)的靈感是伴隨著人類對于大腦功能的探索而產(chǎn)生的。

最初，人們并沒有認識大腦的特殊性，更沒有認識到其具有思維的功能。例如，古埃及人就認為，大腦這團丑陋的白肉只是“顱骨的填充物”，而亞里士多德則認為大腦其實是血液的冷卻機。

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

后來，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們開始對電有了初步的認識。于是就有人猜測，蓋倫所講的“精氣”會不會就是一種生物電呢？對于這個問題，科學(xué)家們用實驗給出了答案。18世紀末，以伽伐尼、伏打為代表的一批意大利科學(xué)家嘗試用電去刺激青蛙，從而控制青蛙的肢體反應(yīng)。通過這種方法，他們證明了電確實可以扮演蓋倫所說的“精氣”的角色，對動物的肢體進行控制。不過，生物電究竟是在人體內(nèi)沿著怎樣的路徑、通過怎樣的方法進行傳播依然是一個謎。

19世紀，細胞學(xué)說開始普及。借助顯微鏡等工具，人們開始對生物的細胞結(jié)構(gòu)進行觀察。當人們觀測到腦部的神經(jīng)細胞時，卻發(fā)現(xiàn)了一些不同：在身體的其他地方，細胞都是以細胞膜為邊界的離散單位，但大腦中的細胞卻似乎都帶著一根長長的纖維。這些纖維會延伸到身體的各個部分，并彼此交錯，構(gòu)成一張網(wǎng)絡(luò)。這就產(chǎn)生了一個問題：這個網(wǎng)絡(luò)是一個整體，還是由一個個獨立的細胞構(gòu)成？

解開這個謎題的是西班牙醫(yī)學(xué)家兼藝術(shù)家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）。1888年，他用一種被稱為“高爾基染色法”的方法對神經(jīng)細胞進行了染色，通過對染色后的圖形進行觀察，他發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不是一個整體，而是由一個個神經(jīng)元細胞組合而成的（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）卻認為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個整體。1906年，這位和卡哈爾在觀點上截然對立的學(xué)者和卡哈爾一起因在神經(jīng)領(lǐng)域的研究而分享了當年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎）。

不久之后，德國解剖學(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，并正式將神經(jīng)細胞命名為了“神經(jīng)元”（neuron）。

現(xiàn)在，借助于更為先進的觀察設(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)：每一個神經(jīng)元都由“胞體”和“胞突”構(gòu)成。其中，胞突有長有短，長的被稱為軸突（axon），短的被稱為樹突（dendrite）?？ü栐谟^測到了神經(jīng)元的形狀后就曾經(jīng)猜測，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線，來完成不同神經(jīng)元之間的信息傳遞，而樹突則主要充當接收器的角色。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)元之間進行傳遞。雖然在當時，卡哈爾的以上猜測完全是一種基于直覺的判斷，但后來的研究證明，他的這些猜想基本是正確的。

具體來說，神經(jīng)元類似于一個裝有液體但卻有漏洞的袋子，它的細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。在自然條件下，神經(jīng)元存在于水介質(zhì)當中，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胞膜內(nèi)外電勢差的存在。當神經(jīng)元接收到某個足夠強的生物電信號后，鈉離子的通道就會被打開，細胞膜外的鈉離子就會迅速流入細胞，這時細胞膜點位就會迅速上升，直到上升到一定的程度，鉀離子的通道被打開，鉀離子流出細胞，細胞膜的電位才會下降。這種膜電位先上升后下降的過程就被稱為“鋒電位”（spikepotential）。鋒電位會首先發(fā)生在胞體和軸突的連接點附近，然后隨著軸突向其他神經(jīng)元傳播，而其他神經(jīng)元則可以通過樹突來接收這一切。通過這種方法，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，也就可以沿著這個網(wǎng)絡(luò)進行傳播了。