人脑的百年“进化”高小榕
随着神经工程与信号处理技术的发展，人脑与外部设备的直接连接正在从科幻走向现实。在神经活动与数字系统间建立通信通路的脑机接口（BCI，BRAIN-COMPUTER INTERFACE）技术，不仅应用于医疗辅助与躯体功能重建，更引发了关于感知、意识及控制方式的全新探讨。
脑机接口的艺术迁移与感知实验现场。
高 小 榕 作《脑 电 百 年 与 脑机接口》报告。
脑机接口的艺术迁移与感知实验现场。
人 类 历 史 上 首个脑电波记录图。受访者供图
自1924年首次记录人类脑电波活动以来，人类对大脑的探索已走过百年历程。无论是脑电技术的探索，还是脑机接口的应用，技术跃进的背后都暗藏着对文化的思考和追问。作为科学与文化的碰撞，人脑的百年“进化”正在倒逼我们重新审视“大脑”和“思维”的作用。
2025年底，清华大学科学博物馆主办了“科博文化周”活动“界面中的我：脑机接口与意识的未来”，聚焦脑机接口技术在科学、艺术与认知领域的交叉探索。清华大学长聘教授高小榕作《脑电百年与脑机接口》报告，本报记者赵宇彤根据报告内容整理如下。
科学与文化的交汇
脑机接口是人机交互的特殊形态，可以直接从大脑提取信号控制外部设备，替代、恢复、补充或改善大脑的功能。而脑电技术则是脑机接口最核心、最主流的信号采集与处理基础。
1924年，德国精神病学家汉斯·伯杰首次记录了人脑的能量活动，这种能量活动后来被命名为脑电波。那张脑电波记录图也成为人类历史上第一张脑电图。
实际上，汉斯·伯杰的研究动机源自一个看似“灵异”的事件。汉斯·伯杰是个富二代，非常聪明，大学时攻读当时“最牛”的专业天体物理学。德国的大学生需要军训，他在行军途中受伤，住院后意外接到家人的慰问电报。原来是他妹妹出现“心灵感应”，晚上做梦时“感应”到哥哥受伤了。汉斯·伯杰联想到他13岁在巴西旅游时，曾被电鳗电到的经历，就琢磨是不是自己和妹妹的脑子里有跟电鳗一样的通信工具，能实现电信号的传输？于是，他转专业去学医学，研究脑电问题。
在一次对17岁少年的神经外科手术中，汉斯·伯杰终于捕捉到了脑电图的雏形。然而，记录的图片十分粗糙。他又在自己和儿子身上进行多次实验，才得到这张来之不易的脑电图。
1929年5月，关于脑电图的第一篇论文《人类脑电图的使用》出炉，发表于《精神病学档案》。这篇论文报道了1924年记录的脑电图波形，上方描记为脑电信号，下方为10Hz定时信号，每次受试者闭眼时都会出现10Hz的信号，可以看出有很强的周期性α（阿尔法）波成分。
正是基于这首张脑电图，1938年，美国神经学家赫伯特·贾斯珀在寄给汉斯·伯杰的圣诞贺卡中，畅想了从脑电波中解码出语言的可能性。这被认为是对脑机接口的早期科幻式的描绘。
其实，脑电技术的萌芽，乃至人类的发展都离不开科学与文化。这里的科学指的是生物层面的探索，文化则是社会层面的观察。而在19世纪20年代，有关科学与文化的争论正如火如荼地开展。
1922年，爱因斯坦与亨利·柏格森开启了一场“时间”之争。时间究竟是客观存在，还是人类的幻觉？爱因斯坦认为，只存在一种物理时间，且时间与空间相互关联、相互影响，它们共同构成宇宙的基本结构。而在柏格森看来，物理时间之外尚存在哲学时间，他在《创造进化论》《时间与自由意志》中多次举例，假设想要调制一杯糖水，不管再怎么着急也没用，必须等待砂糖在水中溶解，而不管是一杯水，还是一片大洋，糖块扩散的速度是相等的，这揭示了时间与空间的根本异质性：时空是两种根本不同的存在形式，不能相互还原。
1923年，东方也上演了一场科学与文化的碰撞，即“科玄论战”。以梁启超为代表的玄学派和以胡适为代表的科学派，围绕“科学的边界是什么”的话题开展热烈讨论，促进了当时学者对科学与文化之关系的深入思考。
不难看出，科学和文化共同构成了人类发展的坚实基础，尽管二者基本遵循两条不同的路径，但其中一定存在交汇点。恰好，脑电技术就是其中之一。
脑电百年的三件“大事”
尽管1924年汉斯·伯杰就已经首次记录了人类脑部的能量活动，但对当时大多数人而言，脑电波仍然是一个陌生的领域。
直到1934年，美国神经科学家赫伯特·H·费希尔和亚伯拉罕·洛温巴克首次在癫痫患者脑电图中发现特征性棘波，这是脑电图研究的第一件大事。1935年，美国科学家弗雷德里克·A·吉布斯、霍洛韦尔·戴维斯和威廉·G·伦诺克斯描述了3Hz棘慢复合波，成为癫痫诊断的金标准，开创了临床脑电图新领域。
脑电技术的发展对文化有极大的促进作用，过去人们大多认为，癫痫发作是“魔鬼附身”，而脑电技术则证实，那实际上是大脑活动存在异常。1936年，全球首个脑电图实验室在美国波士顿的麻省总医院成立，这是脑电图从科学研究迈向临床应用的关键里程碑。
又经过近20年的发展，1953年，脑电图帮助人类发现并明确了快速眼动睡眠期的存在。其实，快速眼动睡眠就是做梦，人类在做梦时脑电波会有相应变化。过去，我们只能知道一个人是否处于睡眠状态，但对方有没有做梦无法确定。
人是一定会做梦的。而借助脑电图的监测，我们发现了睡眠周期和不同睡眠阶段的特征性脑波。比如，慢波睡眠大概1小时，快速眼动睡眠约半小时。整夜会经历4~6个睡眠周期。但不同人群的睡眠情况不一样。
事实上，做梦的时候思维能力是白天的1.5倍。尽管从理论上看，梦境是可以被诱导的，在睡梦中播放英语单词，记忆的效果会更好，但由于睡眠状态下没有主观判断能力，因此这也存在伦理的争议。但无论如何，睡眠研究是脑电图应用的第二件大事。
彼时，中国也开始了对脑电技术的探索。1955年，我国癫痫和脑电图学的创始人、北京协和医院的冯应琨教授建立了全国首个临床脑电图实验室，1957年举办了全国首届脑电培训班，后来他又编写了《脑电图学》和《脑电图图谱》等图书资料，并在全国推广。
在脑电技术的发展脉络上，尽管东西方都开始了摸索，但始终没有统一的规范。
直到1958年，国际临床神经生理学联合会制定了国际10~20电极系统，这是一种国际公认的方法，共包含21个电极，用于在脑电图检查或脑电研究中描述和应用头皮电极的位置。相当于在大脑中划出经纬线，对不同脑区进行规范化的区分。
又经过30年的发展，科学家发现了α脑电波。这是大脑产生的四种基础脑电波之一，通常在清醒闭目、身体放松且大脑活跃时出现。
1988年，科学家第一次使用α脑电波控制机器人。机器人会根据受试者的α脑电波活动，沿着一条直线行走或停止。受试者放松、闭上眼睛时，α脑电波活动增加，机器人就会行走；而睁开眼睛后，机器人就会停止。
纵观脑电技术的百年历程，癫痫诊断、睡眠研究、机器人控制是三件绕不开的“大事”，而最后一件“大事”，也就是我们今天所说的脑机接口。
脑机接口：从科幻到现实
脑机接口的发展离不开“三驾马车”：脑信息采集、计算机科学及信号分析技术、神经科学等学科的相互影响。
当历史的车轮来到1973年，美国计算机科学家雅克·维达尔正式提出了脑机接口的概念与设想。
1988年，美国科学家劳伦斯·法韦尔和伊曼纽尔·唐钦首次使用脑电ERP（事件相关电位）中的P300成分，通过行列闪烁编码范式设计了第一套P300 speller系统，产生了P300-BCI范式。
1991年，美国科学家乔纳森·沃尔帕训练用户自我调节mu节律（脑电图中一种典型的正常变异波形）的幅值，通过mu节律幅值的变化实现光标的一维控制；1993年，奥地利科学家格特·普弗策勒等人构建了基于感觉运动节律的事件相关去同步（ERD）电位、事件相关同步化（ERS）电位的脑机接口系统，在运动任务和运动想象中发挥重要作用。
近年来，基于稳态视觉诱发电位的脑机接口，由于其高信息传输率、零训练和低脑机接口盲率，可以帮助包括渐冻症患者在内的人群实现便捷打字，受到了越来越多的关注。
事实上，这项探索在1999年就开始了。当时，德国图宾根大学的神经学者尼尔斯·比尔鲍默等利用慢皮层电位幅度变化控制光标一维运动。这是第一次在病人身上做脑机接口实验，花了1天多时间，病人打出了1条完整的信息。
