腦植入設備的未來，畫面太美不敢想象

你會拿什么去交換一個讓你能在黑暗中看見東西的視網(wǎng)膜芯片？或讓你在不管有多嘈雜的餐館中都能聽到任何對話的新一代人工耳蝸？或直接連入大腦海馬體、讓你分毫不差地回憶起讀過的一切的存儲芯片？抑或是一個植入式互聯(lián)網(wǎng)接口，將你腦海中一次清晰的無聲問題（如“法國太陽王”）轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡搜索，在融合維基百科里的相關知識后，將總結(jié)答案直接投射到你大腦中？

科幻小說嗎？不久之后可能就不是了。今天大腦植入所處的階段相當于幾十年前的眼科激光手術。它們不是沒有風險，而且也只對少數(shù)特定的病人有意義，但它們揭開了未來世界的一角。

和起搏器、人造牙冠或植入式胰島素泵不同的是，用直接插入神經(jīng)系統(tǒng)的電子設備恢復或補充大腦功能的神經(jīng)義肢，將改變我們感知世界、在世界上活動的方式。不論好壞，這些設備都會成為我們?nèi)烁竦囊徊糠帧?/p>

神經(jīng)義肢不是現(xiàn)在才有的事物。它們的商業(yè)化存在已經(jīng)有30多年，具體而言就是在全世界30多萬聽覺障礙人士的耳朵（神經(jīng)系統(tǒng)外圍感知器官）內(nèi)植入的人工耳蝸。去年，美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration）批準了第一款人工視網(wǎng)膜。該產(chǎn)品由Second Sight公司生產(chǎn)。

這兩項技術采用了同樣的原理：讓一個外部設備——不管是麥克風還是攝像頭——捕捉聲音或圖像進行處理，利用處理結(jié)果來推動一組電極，讓它們刺激聽覺或視覺神經(jīng)，模擬耳朵或眼睛自然產(chǎn)生的效果。

另外一種已經(jīng)很常見的植入設備被全世界成千上萬的帕金森患者采用，它將電脈沖發(fā)送到大腦合適位置，激活控制運動的一些神經(jīng)通道。一條細細的電極通過顱骨上的一個小開口插入大腦，并通過一條電線與皮膚下方的電池組相連。其效果是減輕甚至是消除震顫、運動僵硬等突出的帕金森氏癥狀（可惜該設備不會阻止疾病本身的發(fā)展）。有實驗也在測試這類“深部腦刺激”治療其他機能失調(diào)的有效性。

加州大學洛杉磯分校（University of California， Los Angeles）神經(jīng)外科醫(yī)生伊扎克?弗里德（Itzhak Fried）和同事在2012年發(fā)表于《新英格蘭醫(yī)學雜志》（New England Journal of Medicine）上的一篇文章中提出，電刺激還可以改善某些形式的記憶。利用一臺類似于電子游戲機的裝置，研究人員教七名病人用一個操縱桿在虛擬城市環(huán)境中穿行，搭載乘客，送他們?nèi)ヌ囟ǖ纳痰?。游戲期間，適當?shù)哪X部電刺激提高了病人完成任務的速度和準確度。

但并不是所有的大腦植入設備都是通過直接刺激大腦來發(fā)揮作用。有些是通過讀取大腦的信號來發(fā)揮作用，比如將癱瘓用戶的意圖翻譯出來。神經(jīng)義肢系統(tǒng)最終或許能兼顧這兩項功能：先讀取用戶的意圖，執(zhí)行網(wǎng)絡搜索之類的動作，然后將結(jié)果直接傳回大腦。

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還有多久我們才能擁有這些奇妙的設備呢？首先，科學家、醫(yī)生和工程師需要想出更安全、更可靠的辦法來將電極植入人的大腦。目前來看，唯一的選擇便是在顱骨上鉆出小孔，將鉛筆芯一樣細長的電極插進去，讓它們進入大腦深處的目的地。這有可能造成感染，因為電線是通過皮膚伸進去的；也有可能造成腦內(nèi)出血，帶來破壞性的、甚至是致命的后果。

NeuroSky公司讀取腦電波的盔帽（向公眾宣傳的時候聲稱“適用于健康、教育和娛樂目的”）等外部設備不存在這些風險。但由于它們的傳感器離單個神經(jīng)元太遠，有效性顯著降低，就像是20世紀初美國無聲電影里的那些警察想從巨大的橄欖球場外偷聽一次對話一樣。

今天，有效的腦機接口必須是直接接入大腦，采集小群神經(jīng)細胞產(chǎn)生的信號。但還沒有誰知道怎樣生產(chǎn)出能夠長時間采集同一群神經(jīng)細胞信號的設備，其中有部分是力學問題：每當你走動的時候，大腦就會在顱骨內(nèi)來回晃動，植入設備一毫米的移動，都會造成差之毫厘謬以千里后果。

另一部分是生物學問題：植入設備必須無毒并具有生物相容性，不至于引起免疫反應。它還必須足夠小，能完全封閉在顱骨以內(nèi)；能效要足夠高，以便能在夜間通過放置在頭皮上的感應線圈充電，就像現(xiàn)在一些電動牙刷用的充電站一樣。

這些障礙或許令人望而卻步，但很多障礙看起來都非常像手機制造商在20年前、手機有鞋盒子那么大的時候遇到的那些。神經(jīng)植入設備需要的進步比這還要大，因為一旦將它們植入、將顱骨重新封上，升級起來就不容易了。

但很多聰明的神經(jīng)工程師正力圖克服這些問題，比如加州大學伯克利分校（University of California， Berkeley）的邁克爾?馬哈比茲（Michel Maharbiz）、何塞?卡爾梅納（Jose Carmena）以及他們的同事。這些人正在開發(fā)一種他們稱之為“神經(jīng)微塵”的無線大腦接口。數(shù)千個0.1毫米（大約相當于人頭發(fā)粗細）的生物中性微傳感器將把電信號轉(zhuǎn)化成可在大腦之外讀取的超聲波。

真正的問題恐怕還不在于這類東西能不能實現(xiàn)，而是在于怎樣實現(xiàn)、何時實現(xiàn)。我們將需要在材料科學、電池化學、分子生物學、組織工程和神經(jīng)科學領域取得多少進步？這些進步需要10年、20年、30年甚至更久才能實現(xiàn)嗎？正如馬哈比茲在一封電子郵件里所說，一旦植入設備“可在健康成年人身上‘穩(wěn)定一輩子’，很多嚴重殘疾……可能會慢慢地變得能夠治療”。對于幾百萬上千萬的病人來說，神經(jīng)植入設備可能具有絕對的革命性。

假設我們能夠清除這些生物工程障礙，下一個挑戰(zhàn)將是如何解讀構成大腦的1，000億個微小神經(jīng)細胞發(fā)出的復雜信息。我們已經(jīng)能夠以有限的方式做到一些。

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一名男孩戴著用于聽覺障礙患者的人工耳蝸。另一部分通過手術方式植入皮膚以下。

根據(jù)以前幾十年在靈長類動物身上做的研究，布朗大學（Brown University）的約翰?多諾格（John Donoghue）和他的同事發(fā)明了一個名叫“腦門”（BrainGate）的系統(tǒng)。借助于這個系統(tǒng)，完全癱瘓的病人可以用他們的意念控制設備。“腦門”的運作原理是將一個覆蓋著100根左右針一樣的電線的小芯片——一把高科技刷子——植入新皮層中控制運動的部分。這些動作信號被輸入一臺外部計算機，并被計算機解碼，一直傳遞到外部機器人設備上。

將近10年以前，這套系統(tǒng)被一個四肢癱瘓的病人用來控制一只義肢。最近在YouTube上一段展示這項技術各種應用可能的視頻中，幾年之前因為腦干中風而癱瘓的凱西?哈欽森（Cathy Hutchinson）只靠她的大腦和一個“讀心”（部分思維）的神經(jīng)植入設備操縱機器人手臂，成功地從一個瓶子里喝到了咖啡。

目前來看，如此操縱機器人手臂顯得笨拙而又費力，就像開著一條巨大的駁船或一輛跑偏的車一樣。考慮到神經(jīng)科學的現(xiàn)狀，就算是我們最優(yōu)秀的神經(jīng)科學家，也只能像透過一片昏暗的玻璃一樣研讀大腦活動：掌握了要點，但遠遠談不上理解了細節(jié)。

事實上我們目前并不知道人腦是怎樣完成一些最基本任務的，比如把接網(wǎng)球的模糊愿意轉(zhuǎn)化成嚴格編排的指令洪流，進而一氣呵成地執(zhí)行這個動作。沒有哪個嚴肅的神經(jīng)科學家可以聲稱擁有一臺已經(jīng)做好商業(yè)化準備、準確程度或反應速度趕得上電腦鍵盤一丁點的讀心設備。

在理解神經(jīng)密碼方面，我們還有很長的路要走。所以美國總統(tǒng)巴拉克?奧巴馬（Barack Obama）去年公布的聯(lián)邦資助項目“BRAIN Initiative”（全稱：通過創(chuàng)新神經(jīng)科技進行大腦研究之行動）才顯得如此重要。我們需要用更好的工具來傾聽大腦，用更精確的工具來將信息傳回大腦，還需要更加詳盡地理解各種各樣的神經(jīng)細胞，以及它們是怎樣組合成復雜回路的。

成像粗糙的腦核磁共振圖像近些年變得非常流行，但這還遠遠不夠。首先這些影像是間接的；它們測量的不是電波活動、而是局部血液流動的變化，充其量也就是一個不完美的替身。功能性核磁共振成像的分辨率也不足以讓我們真正掌握神經(jīng)密碼。腦部掃描過程中形成的每一個三維像素都包含50萬到100萬個神經(jīng)細胞。我們真正需要的是能夠抵近觀察每一個神經(jīng)細胞。

進一步放大觀察至關重要，因為構成知覺、記憶和意識的“原子”不是腦部區(qū)域，而是神經(jīng)細胞，甚至是更加精細的元素。化學家在認識到化學反應（幾乎）全是電子在原子中間建立、打破化學鍵的時候，便把化學變成了一門定量科學。神經(jīng)科學家想在研究大腦的過程中實現(xiàn)同樣的目標。到達到這個目標前，腦部植入設備將只能按照整片森林的邏輯來運作，而缺乏對一棵棵樹木的理解。

這方面最有希望的工具之一是最近開發(fā)出來的一項名叫光遺傳學的技術。它挾持神經(jīng)細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子機關，從而直接操縱大腦的回路。這樣一來，任何一組擁有獨特遺傳編碼的神經(jīng)細胞都可以用不同顏色光線的短暫脈沖以無可匹敵的精度打開或關閉，從而在事實上把大腦變成一架可以彈奏的鋼琴。這種分子生物學與光學、電子學的奇幻聯(lián)姻已經(jīng)在被用于打造成年盲人使用的先進人工視網(wǎng)膜。它在整個神經(jīng)科學領域掀起了革命。

假以時日，分子生物學、神經(jīng)科學和材料科學的進步幾乎肯定會帶來更加微小、更加聰明、更加穩(wěn)定、更有能效的植入設備。這些設備將能夠直接解讀大腦內(nèi)部電波活動的風暴。目前來看，這些都是抽象概念，是人們在書報上讀到但不太可能親身體驗的一種東西。但這種情況有朝一日將會改變。

想想乳房手術等醫(yī)學技術的發(fā)展軌跡吧。雖然它最初是用于乳房切除術后的重建和先天缺陷的矯正，但隆胸和拉皮、整腹等其他美容手術已經(jīng)成了家常便飯。這些手術可靠、有效、便宜，對于社會上很多人都有吸引力，而不只限于富人和名流。

神經(jīng)植入設備終將不只是用于癱瘓、失明或失憶等嚴重疾病。它們將被病情不那么嚴重的人們采用。當技術的進步達到足夠程度時，植入設備將從嚴格以修復為目的提升為增加健全人或“正常人”的表現(xiàn)。它們將被用于提高記憶力、注意力（相當于沒有副作用的利他林）、感知力和改善情緒（拜拜，百憂解（Prozac））。

第一代電子植入設備將會被很多人抵制。會有失敗，和醫(yī)學上的許多進步一樣，也會有死亡。但要認為這些產(chǎn)品賣不出就會略顯幼稚。即便是現(xiàn)在，也有很多父母愿意讓他們的孩子在重要考試之前服用阿德拉（Adderall）。對于很多人來說，成為“超級兒童”（至少是在大考期間保證連續(xù)數(shù)小時的鎮(zhèn)靜和專注）的誘惑是那么地難以抵擋。

即使父母們不為腦部植入設備投錢，軍方也會。五角大樓尖端科技投資機構“Darpa”有一個正在開展的項目，已經(jīng)在支持用于幫助戰(zhàn)傷軍人改善記憶的腦部植入設備的研發(fā)。誰會指責一位希望戰(zhàn)士擁有超常專注力、完美地圖記憶力、連續(xù)好幾天不需要睡覺的將領？（當然，間諜可能也很想竊聽這樣一名戰(zhàn)士的大腦，黑客也可能想入侵它。安全將會極端重要，加密也會必不可少。）

通過心理練習的自動化，初期一代的改善型植入設備或許有助于提高明星高爾夫球手的揮桿動作。之后一代或許會使周末打高爾夫的人能完全略過練習。一旦神經(jīng)學家想出怎樣對練習的最終結(jié)果做逆向工程，“神經(jīng)編譯器”或許就能夠把相當于一年訓練的結(jié)果直接裝入大腦，一勞而永逸。

這樣的事不會在下一個10年內(nèi)發(fā)生，之后的10年可能也都不會發(fā)生。但在本世紀結(jié)束之前，我們的計算機鍵盤和觸摸板將會顯得像一個笑話，就連谷歌眼鏡3.0也將顯得原始。當你能夠把信息寫進大腦、可以直接解讀的時候，為什么還要把信息投射到眼睛（還會遮擋你的一部分視野）上去？為什么要讓計算機等著你說出或鍵入你想要表達的東西，而不是讓它在你還沒能夠表達出來的時候就能想到到你的需要？

到本世紀末，可能還會更早，市面上曾經(jīng)賣過的所有輸入設備都將過時。忘記高擋汽車生產(chǎn)商即將推出的、讓司機能夠在視線不遠離道路的情況下查看數(shù)據(jù)的“抬頭顯示器”吧。到本世紀末，很多人將從頭到腳地直接與云端相連。

這些設備會不會讓我們整個社會變得更加幸福、更加和平、更有效率？它們可能會造就一個怎樣的世界？

無法預測。但是，可預測或合人心意都不是未來的本職。正如美國前總統(tǒng)羅納德?里根（Ronald Reagan）曾經(jīng)說過的，“未來不屬于膽小怕事的人，它屬于勇敢的人”。

膽大的人，愿意讓自己享受神經(jīng)義肢好處、愿意承擔與之相伴的風險，他們將在爭奪就業(yè)和生活伴侶的日常競爭中、在科學領域、在運動場上、在真刀實槍的戰(zhàn)場上占據(jù)上風。這些差別將以新的方式挑戰(zhàn)社會，并開啟超乎我們想象的各種可能性。

作者Gary Marcus是紐約大學（New York University）心理學教授，常為《紐約客》（New Yorker）撰寫科學技術方面的博客。Christof Koch是西雅圖艾倫腦科學研究所（Allen Institute for Brain Science）首席科學家。