把大脑和电脑连接起来，似乎是科幻小说中的情节。但是科学家在经过了几十年的努力之后，已经开始发现了其中的诀窍，而残疾人最可能首先从这类研究中受益。
约翰-迪伦·海恩斯（John-Dylan Haynes）可以读出你的思维。当然，这不是科幻小说，也不是骗人的所谓“特异功能”。借助精密的磁共振成像仪器，德国马克斯·普朗克人类认知与脑科学研究所的海恩斯和他的同事最近成功地读出了人类大脑的简单抽象思维活动，他们可以区分出实验参与者正在思考做加法还是做减法。
海恩斯的研究属于一个称为“脑机接口”的领域。大脑是一种信息处理装置，而脑机接口的作用就是把大脑和外部的信息处理装置——通常是计算机——连接起来。
倾听思维
20世纪20年代末脑电图的发明为科学家提供了一种可以探测大脑活动的手段。在受试者的头顶放置若干电极，可以测量出由于大脑活动产生的微弱电压变化。人们一直想用这种微弱的电压来进行有意识的控制。直到80年代这种想法才逐渐成为现实。
90年代，德国图宾根大学的神经科学家尼尔斯·拜尔哈默（Niels Birbaumer）的研究组研制了一种用脑电活动控制计算机的装置。这种装置利用了一种称为“大脑皮层慢电位”的现象。通过训练，人们可以用自身的大脑皮层慢电位控制计算机光标的移动。
这种装置本身有很大的缺点。你需要用几个月的时间进行训练，才能“控制”你的大脑皮层慢电位，从而利用它指挥计算机。而且，这可不像心里想想“‘嘿，光标向上移动’，于是光标就真的移动了”那么简单。每个使用者可能需要找到不同的思维活动方式来操纵光标。
尽管这多少不是一种自然的控制方式，学会用大脑皮层慢电位控制光标之后，患者就可以用光标挑选计算机屏幕上显示的字母。他们打字的速度不快，每小时最多只能输入100个字母。但是对于那些全身瘫痪无法与他人沟通的患者，这种装置为他们提供了最小限度的希望。
也有科学家利用一种称作P300的脑电信号控制计算机。这是一种持续300毫秒的电脉冲，通常出现在大脑进行决策的时候。P300有时候也被用于测谎领域。通过检测P300，计算机可以“知道”受试者想选择屏幕上显示的哪个字母。
尽管利用脑电图的脑机接口相对廉价和容易实现，但它的缺点也显而易见。脑电图显示的是大脑中1000亿个神经元活动的总体状态，试图从中提取出特定的思维活动信息，就如同在万人大合唱中分辨出两个人的声音。
另外一类非侵入式脑机接口利用了磁共振成像技术。2004年，荷兰马斯特里赫特大学的神经科学家莱纳·戈拜尔（Rainer Goebel）领导的研究组利用功能磁共振成像（fMRI），让受试者可以通过“想象”控制一场虚拟的乒乓球游戏。
近年来，神经科学家越来越多地利用fMRI来研究大脑的活动。如果大脑的一些区域正在活动（例如解数学题或者弹钢琴），这些区域就需要更多的氧。fMRI可以实时探测到大脑的这种新陈代谢速度的变化。在fMRI的图像上，哪些区域被“点亮”了，就表明这些区域正在活动。
2006年，海恩斯的研究组建立了一个更高级的脑机接口。这次，他们利用fMRI “读出”了受试者的抽象思维活动。在2007年2月出版的《当代生物学》杂志上，他们报告了这一研究成果。实验中，受试者可以自由地选择执行加法和减法这两种任务中的一种，科学家让受试者保持这种意图几秒钟时间，随后，屏幕上出现一组数字，受试者给出运算的结果。
在这个过程中，科学家一直用fMRI观察受试者大脑前额叶皮层的活动。这些前额叶皮层活动的图像被输入了计算机中。计算机经过一段时间的学习，就能识别出该区域在执行加法和减法的不同活动模式。甚至在受试者真的执行运算之前，计算机就能识别出受试者的意图，准确率可以达到70％，远远高于随机猜测的水平（50％）。海恩斯说：“我们证明了你不仅可以（从大脑中）读出简单的运动指令，如果你知道查看大脑的哪个区域，你也可以读出更高级的。”
海恩斯的研究组证实了思维意图贮存在人脑前额叶皮层的一个区域，而意图的执行发生在另外一个区域。更重要的是，海恩斯的研究组使用的这种方法为未来的非侵入式脑机接口提供了新的希望——机器可以读出使用者的抽象意图（比如打开电灯，阅读电子邮件），而使用者只需要自然地思考这些事情。
这一发现也引发了一些伦理学的争议，因为“头脑中的秘密”可能在未来的某一天不再成为秘密。但是我们距离这一技术被滥用的那一天可能还很遥远，目前科学家们只能区分两种简单的抽象思维，而不是更复杂的思维活动。
入侵大脑
尽管借助fMRI科学家可以读出人的简单思维，但这种昂贵的设备毕竟只能放在实验室里。另外一些科学家着眼于直接与大脑的神经元“对话”。2002年，美国纽约州立大学的桑吉夫·塔尔瓦尔（Sanjiv Talwar）领导的一个研究组实现了对大鼠的无线电遥控。
塔尔瓦尔的研究组给5只大鼠的脑里埋设了微电极，其中两根微电极分别位于鼠脑中处理左右侧触须信息的区域。当科学家用微弱的电流刺激这两个区域，大鼠就产生了相应的幻觉，仿佛触须真的感觉到了什么。如果大鼠相应地做出转向的动作，科学家就给大鼠一些奖赏——奖赏来自科学家在鼠脑中埋下的第三根电极。这根电极位于内侧前脑束，用电流刺激这个区域可以让大鼠产生快感，如同真的吃到了奖励的食物。
科学家把大鼠放在了一个迷宫里，经过几天时间的训练，不需要给大鼠虚拟“奖赏”（刺激内侧前脑束），大鼠就能根据另外两根电极的刺激，在科学家的“遥控”指挥下灵活地走出迷宫。在进一步的虚拟“奖赏”的训练下，科学家可以指挥大鼠做出更复杂的运动。
为了让这种“机器鼠”更加实用，科学家在大鼠背上放置了一个“背包”，里面有一个无线电收发装置和电池。科学家可以在数百米的距离内通过笔记本电脑遥控发出指令，控制大鼠的行动。2002年5月，塔尔瓦尔的研究组在《自然》杂志上报告说，他们使用这种遥控装置，可以让大鼠绕过障碍物、爬上楼梯和走下斜坡。
把大脑和机器连接起来的想法，在很大程度上引起了美国军方的兴趣。塔尔瓦尔的“机器鼠”的研究获得过美国国防部高级研究规划署的资助。飞行员用思维遥控无人驾驶飞机的飞行可能非常具有吸引力，但是现阶段脑机接口技术主要限于帮助残疾人。
美国杜克大学的神经科学家米格尔·尼科尔利斯（Miguel Nicolelis）的实验更加复杂。2000 年，尼科尔利斯的研究组在一种夜猴的运动皮层中植入了若干微电极，这让它们可以接收约100个运动皮层神经元的信号。运动皮层是控制身体运动的大脑区域。
尼科尔利斯的研究组首先让植入电极的夜猴的手臂做出特定的动作，同时记录下电极探测到的信号。然后，根据这些神经元的活动规律，他们设计出了一种算法，把从夜猴的运动皮层神经元输出的信号“翻译”成了控制一台机械手的命令。机械手可以很好地与夜猴手臂联动。事实上，一些参与试验的夜猴甚至学会了不必真的移动手臂，只用“思考”的方式来控制机械手。
去年，科学家首次把这种技术应用在了人脑中。美国布朗大学的约翰·唐纳休（John Donoghue）领导的研究组把一块微电极芯片植入了一位四肢瘫痪者的大脑皮层中。这块芯片上分布着约100个电极，外部的计算机负责处理芯片收集到的信号。几乎不需要训练，植入芯片的患者就学会了用意识控制计算机光标的移动。他甚至还能像尼科尔利斯的夜猴那样控制一个机械手的运动。在2006年7月 13日出版的《自然》杂志上，唐纳休的研究组报告了他们的这一成果。在同一期的《自然》杂志上，来自美国斯坦福大学的一组科学家还报告了他们研制的一种高性能脑机接口。同样是在大脑皮层中植入微电极阵列，他们可以让速度提高到相当于使用者每分钟输入约15个英文单词。
把芯片植入大脑，终究是一件有风险的事。而且由于人体对植入物体的排异，电极可能逐渐失效。这种脑机接口的商业化可能还很遥远。如果把标准放宽一点，迄今最成功的脑机接口可能是人工耳蜗。全世界已经有超过10万名丧失听力的患者安装了这种辅助装置。它代替了患者受损的听觉感受器的功能，把语音转化为电信号，提供给听神经。此外，科学家正在研究视网膜芯片，让部分盲人重见光明。
脑机接口还面临着一个难题：如何把信息输入大脑？从大脑皮层中提取出信息只是成功了一半，例如，一个缺少反馈的机械手可能会把抓握的物体捏碎。人工耳蜗并没有直接与大脑连接。如果某人的听神经也损坏了，科学家尚不能直接把信号正确地输入大脑负责听觉处理的区域。在短时间里，你恐怕还看不到《黑客帝国》成为现实。