脑神经元细胞的观察根据有三个标准用来衡量记录工具的优劣：

 

​　　1）规模——能记录多少神经元

 

　　2）分辨率——工具收集到的信息有多细。分辨率有两种，空间性（记录的信息能多准确的反应单个神经元的动向），以及时间性（能够多准确的确认所记录行为发生的时间）

 

　　3）创伤性——是否需要手术，如果需要，到什么程度。

 

　　远期的目标是能够同时达成三个目标。不过，现在的情况基本是“哪一个或两个标准我们愿意完全舍弃”。工具之间不是简单的升级和降级，而是权衡取舍。

　　我们来看下目前使用的一些工具：

　　功能性磁共振成像（fMRI）

　　规模: 高，能展示全脑的信息

　　分辨率: 空间性中低，时间性非常低

　　创伤性: 无创

　　fMRI通常不是用来做脑机接口研究的，但是它本身是个很好的记录工具，它能够给你提供脑内正在发生的事的信息。

　　fMRI使用磁振造影技术。二十世纪七十年代发明的磁振造影技术，是X光CT的升级。磁共振不用X光，而是用磁场（以及其它电波和信号）来生成身体和脑的影像。

 

　　挺厉害的技术。

　　fMRI使用磁振造影追踪血液流动的变化。为什么要这么做呢？因为当大脑的特定部位变得活跃的时候，那个部位就需要更多的能量，也就需要更多的氧气，所以那些部位的血流会增加来传递更多的氧气。fMRI的扫描是这样的：

 

 

　　当然，大脑的各处时刻都有血液流过，这张图显示的是血流增加的部分（红橙黄）和减少的部分（蓝）。因为fMRI扫描的是整个大脑，所以结果是3D的。

 

　　fMRI有很多医学应用，比如告知医生病人中风后脑的各个部位是否运行正常。它也教会了神经科学家很多东西，包括大脑的哪些区域参于哪些功能。fMRI扫描也能帮助提供整脑在给定时刻的整体情况，并且很安全，而且完全无创。

　　一个大的缺陷是分辨率。fMRI扫描和电脑屏幕一样是有个实际的分辨率的，只不过像素点是3D的。

　　随着技术的进步，fMRI的像素点也在缩小，不断提高空间性分辨率。现在的fMRI像素点能够小到约1立方毫米。脑的总体积约是一百二十万立方毫米，所以一台高性能的fMRI能够把脑细分成一百万个小方块。问题在于，在神经元的级别上，这还是太大了，每个像素点包含了成千上万的神经元。所以fMRI展现的，最好也就是每四万个左右神经元区域的平均血液流量。

　　更大的问题是时间性分辨率。fMRI扫描血液流量，这是很不准确，并且有大概一秒的延迟。一秒对于神经元来说是个太长的时间了。

　　脑电图描记器（EEG）

 

　　规模: 高

　　分辨率: 空间性非常低，时间性中高

　　创伤性: 无创

　　EEG有将近一个世纪的历史，而它其实就是在头上摆好多电极的那个东西：

 

　　对于一个2050年的人来说，EEG肯定是个很原始的科技了，但是现在来看，它是仅有的能够无创的和脑机接口合作的工具之一了。EEG记录大脑不同区域的电活动，然后把结果像这样呈现出来：

 

　　EEG图能够获取关于癫痫等疾病的医学信息，追踪睡眠规律，或者用来确认麻醉剂的效果。

　　不过和fMRI不同的是，EEG的时间性分辨率很好，能够即时的获取脑内电信号的产生。当然头骨对于时间性分辨率的准确性还是会有一定影响，因为骨的导电性不好。

　　EEG的主要弱势是空间性分辨率，在这方面EEG基本谈不上分辨率。每个电极只是记录一个很粗略的平均值，所有这个电极覆盖范围内的数百万到数亿个神经元的电量的矢量总和，而这个值还是受到了头骨影响后的。

　　如果把大脑想象成一个棒球场，每个神经元是现场的一个观众，而把我们想要从脑获取的电信息类比成每个观众的声带的振动。在这样的情况下，EEG的效果就好像放在棒球场外的一堆麦克风，透过棒球场的外墙，麦克风可以听到观众的欢呼声，并且能够大致推断出他们为什么在欢呼。你甚至能够从一些蛛丝马迹中听出两队正在交换攻防，或者比分是否咬的很紧，你甚至能够察觉到是否有不寻常的事情发生。

　　但也就止步于此了。

　　脑皮层电图描记法（ECoG）

 

　　规模：高

　　分辨率：空间性低，时间性高

　　创伤性：有创

　　ECoG和EEG类似，同样是利用表面电极的，只不过它是把电极放到了头骨下面，直接放到了脑的表面。

 

　　听这样的描述是不是有种说不出来的恶心？但是这个做法很有效，至少比EEG有效很多。没有头骨的干扰，ECoG能够获得更高的空间性分辨率（精确到1厘米）和时间性分辨率（精确到5毫秒）。ECoG的电极可以被放置于硬脑膜上方或者下方。

 

　　用回我们上面的棒球场的比喻。ECoG用的麦克风在球场里面，而且离观众比较近，所以获得的声音也比EEG从球场外获得的声音更加清晰，并且ECoG麦克风能够更好的区分各个独立区域的观众声音。

　　但是这种改进是有代价的，ECoG需要在有创手术的前提下操作。当然，在有创手术的领域，这还不是很糟糕，一个神经外科医生的曾这样跟我描述：“你能够相对不那么有创的把东西放到硬脑膜下面，虽然还是要先在头上钻一个洞，但是相对来说创伤不大。”

　　局部场电位（Local Field Potential，LFP）

 

　　规模：低

　　分辨率：空间性中高，时间性高

　　创伤性：非常有创

　　从LFP开始，我们不再用表面电极，而是用微电极了，微电极就是外科医生扎进脑里面的小针头。

　　脑外科医生Ben Rapoport跟我描述过他的父亲，一位神经学家，曾经是怎样制造微电极的。

　　“我父亲需要造微电极的时候，都是手工做出来的。他用的都是直径只有10-30微米的非常细的金线、铂金线或者铱线，把这些细线塞进直径只有1毫米左右的玻璃毛细管中，然后他会把这块玻璃管放在火焰上烤软，然后他把玻璃管拉长到玻璃边的非常薄，把这时候的玻璃管从火焰上移开，然后敲碎。

 

　　这时候的玻璃管内部就紧贴着里面的细线了。玻璃是绝缘体，而细线是导体，于是完成品就是一个有玻璃绝缘外层的坚硬的电极，电极的尖头只有几十微米粗。”

 

　　现在，虽然有些电极还是手工做出来的，但新技术已经能够利用硅晶元做原材料，制作工艺也是借鉴了集成电路产业的做法。

　　LFP的做法很简单：把这些超级细的带有电极头的针插入皮质1-2毫米，这样每个电极就能收集到附近一定范围内的神经元电量的平均值。

　　LFP拥有fMRI般还可以的空间性分辨率，同时又具有ECoG的高时间性分辨率，在分辨率这个角度来看算是鱼和熊掌兼得了。可惜在其它标准上做的还是比较糟糕的。

　　与前面提到的fMRI、EEG和ECoG不用，微电极LFP的规模性很低，它只能采集电极附件一小块区域的信号，而且LFP的侵入性非常强，它实际上已经进入了脑的内部。

　　用回棒球场的比喻的话，LFP就是一个悬挂在单块座位上方的单个麦克风，它能采集到那块区域的声音，甚至有可能时不时采集到单个观众的声音，但是大部分时间还是只能获得一个大概。

　　这个领域最新的进展就是多电极阵列技术，本质和LFP一样，区别是它会在单个皮质区域（大约4毫米见方）同时使用上百个LFP。

 

 

 

　　单细胞记录（Single-Unit Recording）

 

　　规模：非常小

　　分辨率：非常高

　　创伤性：非常有创

　　在使用LFP的时候，为了能够收集到较广的区域，电极的头是略微磨圆了的，这样能够让电极的表面积更大，把电阻降低（注：此处使用“电阻”便于读者理解，实际的技术称呼并不是电阻）。这样能让更大范围内的弱信号都能被收集到，结果就是电极这个麦克风会收集到附近区域的大合唱。

　　单细胞记录同样使用针状电极，但是把电极头磨的非常锋利，来大大提高电阻。这能够阻绝大部分的噪音，使得电极几乎采集不到任何东西，直到电极和一个神经元非常接近（大约相距50微米左右），在这个距离下神经元的信号足够强，所以能够越过电极头的高电阻。因为能够收集到单个神经元的信号，并且没有背景噪音，这个电极现在能够用来窥视单个神经元的“隐私”。这是最小的规模，也是最大的分辨率。

　　有些电极技术则是更近一步，采用了一种叫膜片钳的技术。膜片钳直接去掉了电极头，只留下个叫作玻璃微量吸管的小管子。膜片钳会把神经元的细胞膜的一小块吸进管子里，来达到更准确的测量。

 

　　不同于上面提到的所有方法，膜片钳还有个优势，那就是它和神经元产生了物理接触，所以它不但能够记录，还能刺激单个神经元，比如通过输入电流或者控制电压来进行一些测试。其它的方法虽然也能刺激神经元，但是只能批量的做。

　　最后，还有些电极能够直接穿过神经元的细胞膜，更进一步的侵入神经元，这种技术叫作尖锐电极记录。只要电极头足够尖，就不会损伤细胞，因为细胞膜会在电极周围闭合。这使得刺激神经元和记录神经元内外电压差变得非常容易。不过这种技术的使用时间有限，一个被刺穿的神经元是存活不了太久的。

　　在我们的棒球场比喻里，单细胞记录是个挂在一位观众衣领上的指向性麦克风。膜片钳就是一个在观众喉咙里的麦克风，它能够记录声带的每个动作。这种技术能够很好的记录这个观众在球赛现场的体验，但是却记录不到任何背景信息，并且你无从得知这个观众的声带发出的声音和动作，和球场上正在发生的事情是否有关。

　　以上就是我们目前常用的所有技术手段了。这些对我们来说是难以置信的先进，但是对于未来人类来说，可能又像石器时代技术一样原始——必须在分辨率和规模之间做取舍，而想要真正高质量的读取和写入大脑信息，居然要打开头骨。