時至今日，資訊科技被應用在我們生活中的每個角落，人們早已離不開手機與網路；然而，人類的意識是否有一天將能夠真正進入並與數位世界互動？我們是否將有能力以「意念」指揮機械，使行動不便的人重獲自由？一起來看這項百年前便已開始萌芽的技術「腦機介面」，以及這項技術可以如何應用於醫療領域吧！
一、腦機介面簡介
在美國教授Jonathan Wolpaw於2002年發表的回顧性論文中，定義腦機介面（brain-computer interface, BCI）為「一個不需經由周邊神經和肌肉就能讓大腦傳送訊息至外界的溝通系統」，知名科技作家陳根則於2024年在他的著作《腦機介面》中寫下更廣泛通俗的定義：「腦機介面是連接大腦與電腦（或其他計算設備）的資訊系統，可以讓大腦直接和電腦溝通，且這種溝通是雙向的。」簡單來說，就是外界的機器既可以讀取大腦所下的指令，也可以用電訊號刺激的方式向大腦傳遞訊息。
目前腦機介面依照訊號採集方式可分為二種：「侵入式」和「非侵入式」。侵入式腦機介面是將電極直接插入大腦組織或固定在腦組織表面，並透過電極偵測單個或周圍數個神經細胞的電生理活動，優點是偵測到的訊號強度、精度較高，缺點是因為需要進行開顱手術而有較高風險。非侵入式腦機介面則是將電極固定在頭皮表面的特定位置，採集腦部電生理活動經過顱骨傳導到表面電極的微弱電訊號（即「腦電圖」），優點是安全且方便，缺點是訊號強度、精度皆不如侵入式。
二、腦機介面發展歷程
約一百年前，德國精神病學家Hans Berger於1924年首次從頭皮表面記錄到人類腦部產生的微弱電磁波，稱之為「腦電圖」（Electroencephalogram, EEG）。腦電圖如今亦作為許多疾病的檢測方法，包含癲癇、注意力缺陷及帕金森氏症等。不過直到約莫五十年後，加州大學洛杉磯分校教授Jacques Vidal方於1973年發表了一篇名為《論直接的腦機交流》的論文，並在其中以腦電圖為基礎，提出「腦機介面」的概念。
雖然Vidal教授起初對腦機介面的構想是建立在腦電圖上，然而侵入式腦機介面在實務上的發展卻總是走在非侵入式的腦電圖之前。1998年，埃默里大學研究人員Philip Kennedy首次將腦機介面裝置植入人體，使一位癱瘓的患者得以遠端控制電腦游標，是腦機介面研究的一大里程碑。邁入二十一世紀後，杜克大學教授Miguel Nicolelis於2000年發表了一項開創性的研究成果：利用在猴子大腦皮層獲取的電訊號即時控制遠端的機器人，為人類用「意念」控制假肢奠定基礎。
十四年後，Nicolelis成功設計了一款外骨骼裝置，使巴西癱瘓少年Juliano Pinto成功為世界盃開球。這件裝置除了能收集平托的大腦電訊號以控制外骨骼裝置外，同時機械下肢頂端的感受器也可以向腦部輸入訊號，使平托可以感受到腳部的感覺，達成雙向溝通。
三、腦機介面的醫療應用與未來展望
首先，正如同Nicolelis開發的外骨骼裝置一般，腦機介面將能夠幫助患者克服肢體運動障礙。腦機介面裝置能採集患者的大腦訊號並識別其動作意圖，經過「解碼」後轉換為外部設備所能理解的形式，以實現患者大腦下達的指令。同時，為了使患者能更有效地控制外部設備，腦機介面也必須藉由外部偵測器提供觸覺回饋。
既然腦機介面能協助大腦指令輸出，相反地，它也能協助外界訊息的輸入，應用在醫療上即是彌補患者的感覺缺陷。舉例而言，對於失去觸覺功能的患者，腦機介面技術可透過植入電極記錄大腦皮層的電生理活動，並將這些訊號轉化為觸覺資訊。透過訓練，患者可以學會透過腦電訊號感知外部的觸覺刺激。不過，由於還原複雜的感覺資訊需要高精確度的腦電訊號解碼，且不同個體間亦有些差異，因此實務上仍面臨挑戰。
腦機介面或許還能應用於精神疾病治療，傳統療法包含藥物治療和心理治療等，然而以憂鬱症為例，有相當部分的患者屬於「難治型憂鬱症」，傳統療法對這類型的患者效果並不理想。透過輸入式的腦機介面設備對大腦傳送電訊號刺激，或許能對神經系統進行調控；此外，腦機介面所讀取到的訊號亦可經過分析，而辨識出患者情緒在訊號上呈現的特徵或模式，讓患者能觀察自己的腦電訊號獲得回饋，逐步調節自己的情緒，從而達到治療的目的。
腦機介面研究在過去百年已取得了相當進展，然而除了醫療應用以外，腦機介面在教育、娛樂和軍事等方面都仍有許多潛在待開發的用途，同時其亦面臨安全性和隱私等倫理上的挑戰，這些均有賴各界專家一一克服，帶領社會邁向腦機介面時代。
參考資料：
- Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain-computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol. 2002 Jun;113(6):767-91.
- 陳根(2024)。腦機介面。博碩文化。
- Kawala-Sterniuk A, Browarska N, Al-Bakri A, Pelc M, Zygarlicki J, Sidikova M, Martinek R, Gorzelanczyk EJ. Summary of over Fifty Years with Brain-Computer Interfaces-A Review. Brain Sci. 2021 Jan 3;11(1):43.
- Vidal JJ. Toward direct brain-computer communication. Annu Rev Biophys Bioeng. 1973;2:157-80.
- Kennedy PR, Bakay RA, Moore MM, Adams K, Goldwaithe J. Direct control of a computer from the human central nervous system. IEEE Trans Rehabil Eng. 2000 Jun;8(2):198-202.
