腦機(jī)接口并不像想象的那樣遙不可及

如果腦機(jī)接口變成現(xiàn)實(shí)，所有設(shè)備都會(huì)更智能，智能的內(nèi)涵也將與現(xiàn)在大為不同。

腦機(jī)接口并不像想象的那樣遙不可及。目前，全世界已經(jīng)有30萬人使用了人工耳蝸，這種聽力設(shè)備并不直接和神經(jīng)產(chǎn)生聯(lián)系，但它們將接收到的聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后會(huì)將電信號(hào)傳送給耳蝸中的電極，電極會(huì)刺激耳蝸神經(jīng)從而讓大腦感覺到聽到了聲音——盡管后者非常粗糙。

如果探究得再詳細(xì)一點(diǎn)，腦機(jī)接口的歷史就更加久遠(yuǎn)了。早在1969年，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院就開始利用猴子進(jìn)行腦電生物反饋研究。到了上世紀(jì)90年代，后來在巴西世界杯開幕式上利用人工外骨骼技術(shù)幫助殘疾人開球的尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）,完成了對(duì)老鼠運(yùn)動(dòng)腦電波的初步研究后，在夜猴內(nèi)實(shí)現(xiàn)了提取皮層運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元信號(hào)控制機(jī)器手臂的實(shí)驗(yàn)。

從那時(shí)開始，腦機(jī)接口開始成為神經(jīng)科學(xué)的最前沿領(lǐng)域?？紤]到這個(gè)領(lǐng)域和信息技術(shù)之間密不可分的關(guān)系以及人類大腦在自然科學(xué)研究中的卓越地位，所有人都知道，這就是神經(jīng)科學(xué)和信息技術(shù)最完美的交叉領(lǐng)域，也是最有可能在未來引導(dǎo)技術(shù)變革的前沿技術(shù)領(lǐng)域。

神經(jīng)基礎(chǔ)

神經(jīng)元的放電是構(gòu)建智慧的基礎(chǔ)，將采集自人腦內(nèi)的動(dòng)作電位組合起來，就可以還原出每一段記憶、支配每一個(gè)動(dòng)作、組織每一個(gè)想法。不過，要做到這一點(diǎn)絕非易事。成年人大腦中有大約850億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元都會(huì)通過突觸與超過10000個(gè)同類細(xì)胞建立連接。

以往，人們只能從大腦外部讀取腦電信號(hào)，這方面最好的辦法就是腦電圖。但這種方法既不便捷也不精確，人們要測(cè)腦電圖就需要戴上特殊的帽子，許多電極也同時(shí)被壓在頭皮上。為了提升測(cè)試的效果，研究人員還會(huì)故意將頭皮弄得較為粗糙，并在頭皮上涂抹一層導(dǎo)電膠。之后，每個(gè)電極會(huì)探測(cè)到數(shù)千個(gè)神經(jīng)元被激活時(shí)產(chǎn)生的電流，并在顯示器上顯示出來。但令人遺憾的是，這種方法只能探測(cè)到電極覆蓋位置的腦電活動(dòng)，對(duì)大腦深部的情況仍一無所知。

這是因?yàn)槟X電信號(hào)極度龐雜且非常微弱，肌肉因素和環(huán)境電流都會(huì)對(duì)其造成干擾。因此，只有距離大腦皮層足夠近才能識(shí)別出部分非常強(qiáng)烈的信號(hào)，例如當(dāng)大腦發(fā)現(xiàn)某種錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)釋放出非常強(qiáng)烈的電流，人在清醒、疲勞、困倦進(jìn)而專注度下降時(shí)也會(huì)看到腦電強(qiáng)度的迅速變化，現(xiàn)在已經(jīng)有人利用這項(xiàng)技術(shù)提醒疲勞的醫(yī)生去休息。后來，科學(xué)家開始構(gòu)想出腦機(jī)接口這樣的概念，通過一種獨(dú)特設(shè)備連接計(jì)算機(jī)和大腦，使人類可以從外部調(diào)控人的生理活動(dòng)。

幾年前，這種想法開始變成現(xiàn)實(shí)：從2004年開始，已經(jīng)有13位癱瘓病人被植入了一種名為BrainGate的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的核心是一種植入到運(yùn)動(dòng)皮層的微小電極陣列。如果有人想移動(dòng)鼠標(biāo)，這些電極就會(huì)將信號(hào)傳遞到解碼器上，后者將這些信號(hào)放大后再轉(zhuǎn)換成其他信號(hào)，從而帶動(dòng)外部的機(jī)械手臂去操作鼠標(biāo)。在過去的14年時(shí)間中，這套系統(tǒng)讓一位中風(fēng)婦女在沒有任何照護(hù)措施的情況下喝到了八年來的第一口咖啡，還讓一位癱瘓者以每分鐘八個(gè)字的速度打字，并讓一位在交通事故中嚴(yán)重受傷的人幾年來第一次靠自己的力量吃了飯。

相同時(shí)間內(nèi)，腦機(jī)接口還取得了一系列突飛猛進(jìn)的成績(jī)。2009年，南加州大學(xué)的科學(xué)家研制出能夠模擬海馬體功能的神經(jīng)芯片，并將這種芯片植入大鼠腦內(nèi)使其成為高級(jí)腦功能假體。2016年12月，明尼蘇達(dá)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)讓普通人在沒有植入大腦電極的情況下，只憑借“意念”就在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了包括操縱機(jī)器臂抓取體和控制飛行器在內(nèi)的物體控制。到了2017年，斯坦福大學(xué)科學(xué)家又讓幾個(gè)截癱患者用意念實(shí)現(xiàn)了每分鐘39個(gè)字母的輸入速度。

當(dāng)然，所有這些都還是不具有普遍意義的個(gè)案。要想讓腦機(jī)接口變成現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家還有太多的路要走。首當(dāng)其沖，他們必須開發(fā)出足夠優(yōu)秀的設(shè)備。這些設(shè)備能幫助他們接近大腦皮層，捕獲并分析那里的電信號(hào)，而這是腦機(jī)接口領(lǐng)域所有工作的基礎(chǔ)。

兩條路徑

目前，打造更好大腦植入體的工作有兩類，即小型導(dǎo)線電極和非電氣的新型傳感元器件。

當(dāng)前相對(duì)成熟的方法當(dāng)然還是小型導(dǎo)線電極，這種方法通過在不同的腦區(qū)接入可以記錄神經(jīng)元活動(dòng)的電極來探知大腦的活動(dòng)情況。盡管聽起來非常簡(jiǎn)單，但這種方法其實(shí)面臨著幾個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：首先是設(shè)備的集成，要搜集上百萬個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)就必須將數(shù)以萬計(jì)的電極或者數(shù)以百萬計(jì)的傳感器以及相同數(shù)量的放大器集成在一平方厘米的面積上，這在當(dāng)代工業(yè)界仍然是個(gè)不小的挑戰(zhàn)；其次是設(shè)備的供電，電池供電肯定是不合適的，因?yàn)殡姵氐捏w積太大且電解液泄露的風(fēng)險(xiǎn)也太高，但科學(xué)家還沒有找到可以真正解決這個(gè)問題的想法；最后是數(shù)據(jù)的傳輸，同步掃描超過100萬個(gè)神經(jīng)元意味著每秒采集到的數(shù)據(jù)將超過24GB——大約相當(dāng)于四部超高清電影，傳輸這些數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這意味著這些數(shù)據(jù)將無法在顱內(nèi)存儲(chǔ)或者借助無線技術(shù)傳輸出來，科學(xué)家必須找到理想的腦信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮方式。

更精巧的電傳感元器件因此受到了更多關(guān)注。這方面的領(lǐng)導(dǎo)者在布朗大學(xué)，那里的科學(xué)家發(fā)明出一種被稱為“神經(jīng)顆?！钡脑骷?。這種繼承了放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)傳輸中繼器的元器件只有白糖粉末大小，可以撒在頭皮上，成千上萬粒同時(shí)使用也不會(huì)引起明顯的不適；該領(lǐng)域另一個(gè)重要領(lǐng)導(dǎo)者是哈佛大學(xué)，那里的科學(xué)家正在研制一種可以模糊神經(jīng)與電子器件之間界限的新型網(wǎng)狀組織，這種由柔性材料構(gòu)成的網(wǎng)狀組織可以模擬神經(jīng)組織富有彈性且柔軟的狀態(tài)，并允許神經(jīng)元和其他細(xì)胞在其內(nèi)部生長(zhǎng)，因此可以避免大腦的排異反應(yīng)。

與這些元器件相比，非電傳感元器件概念更新，對(duì)人體的傷害更小，但它們的研發(fā)難度也更大。例如，科學(xué)家在考慮利用弱磁場(chǎng)、光遺傳學(xué)和超聲波的方法記錄腦電活動(dòng)。但由于科學(xué)家尚不清楚磁場(chǎng)、光和超聲波會(huì)對(duì)大腦產(chǎn)生什么樣的影響，這一方向的進(jìn)展其實(shí)很緩慢。

例如，科學(xué)界普遍認(rèn)為功能性近紅外光譜技術(shù)對(duì)無創(chuàng)傷腦電探測(cè)非常有價(jià)值。利用這種技術(shù)時(shí)，向大腦投放的光線要么被吸收，要么被反射回來，從而會(huì)形成一個(gè)關(guān)于大腦神經(jīng)活動(dòng)的影像?？蛇@種技術(shù)測(cè)量的指標(biāo)其實(shí)是血氧濃度，而非神經(jīng)激活程度，這種技術(shù)并不能直接反應(yīng)神經(jīng)信號(hào)的狀況。又由于光線會(huì)在組織細(xì)胞中分散，信號(hào)確切源頭也很難被識(shí)別出來。

今年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）將向六個(gè)研究機(jī)構(gòu)分配6500萬美元經(jīng)費(fèi)，以研究出可以創(chuàng)建出更高分辨率腦電信號(hào)的植入式腦機(jī)接口。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局為這些企業(yè)設(shè)置了一個(gè)相當(dāng)宏大的目標(biāo)，他們希望這些研究機(jī)構(gòu)盡快開發(fā)出可以掃描100萬個(gè)神經(jīng)元的植入式腦機(jī)接口，并在2021年之前開展初步的人類實(shí)驗(yàn)，還要在長(zhǎng)期設(shè)計(jì)出安全、小巧、無線且耐用的高級(jí)腦機(jī)接口，從而讓這些設(shè)備在潮濕、炎熱、多鹽、敏感的大腦邊緣工作。

工業(yè)界也在加大對(duì)腦機(jī)接口的投資。埃隆·馬斯克（Elon Musk）的Nurolink寄希望于在八年時(shí)間內(nèi)開發(fā)出普通人都可以使用的腦機(jī)接口；Facebook也啟動(dòng)了一個(gè)“無聲語(yǔ)言”計(jì)劃，以支持科學(xué)家開發(fā)出一種腦機(jī)接口，幫助殘障人士實(shí)現(xiàn)每分鐘 100 個(gè)單詞的意念打字。

盡管投入和關(guān)注度都在增加，但即便是對(duì)這一領(lǐng)域最樂觀的人也知道，無論是怎樣的技術(shù)路線，要想清晰地感知并利用這些腦電信號(hào)、同時(shí)又不對(duì)大腦的物理結(jié)構(gòu)造成負(fù)面影響都是非常困難的事情，這是一條荊棘密布、因而每次進(jìn)步都極為艱難和寶貴的道路。

障礙重重

要想讓這種設(shè)想真的變成可以拯救大多數(shù)患者生活的創(chuàng)新，工程師和科學(xué)家們還需要基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的大量突破來支撐。例如，加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們已經(jīng)可以通過對(duì)神經(jīng)信號(hào)的大量檢測(cè)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出斑馬雀接下來會(huì)發(fā)出什么樣的叫聲，加州理工學(xué)院的科學(xué)家們也已經(jīng)揭示出獼猴如何編碼它所看到人臉的50個(gè)最顯著的特征——例如膚色和瞳距。

如果進(jìn)一步細(xì)化，科學(xué)家就會(huì)發(fā)現(xiàn)工作量非常巨大。例如，鼠標(biāo)的移動(dòng)只需要兩個(gè)自由度，但靈巧地操作人的手需要27個(gè)自由度；視覺皮層的研究人員通常是在環(huán)境靜止的情況下開展相關(guān)研究，但真實(shí)世界中的背景幾乎一直處在或者緩慢或者迅速的變動(dòng)之中。

這意味著人類距離應(yīng)用腦機(jī)接口仍有非常大的距離。漫長(zhǎng)的投資回報(bào)期和深?yuàn)W的前沿科技的結(jié)合足以嚇退大多數(shù)投資人，設(shè)計(jì)更好的界面也需要諸多學(xué)科通力合作，而這，和之前強(qiáng)調(diào)細(xì)化的科學(xué)發(fā)展方向背道而馳。毋庸置疑，這些在一定程度上，都會(huì)阻礙相關(guān)研究的發(fā)展。

除此之外，工程技術(shù)領(lǐng)域還有很多問題需要解決。目前的腦機(jī)接口需要讓電線穿過頭骨和頭皮，并將傳感器固定在需要搜集信號(hào)的腦區(qū)。但在這個(gè)過程中，人體極易發(fā)生感染，植入物在腦區(qū)內(nèi)的輕微移動(dòng)也可能損害它正在記錄的細(xì)胞，大腦對(duì)異物的免疫反應(yīng)還會(huì)在電極周圍產(chǎn)生瘢痕，讓這些電極或者傳感器的效果迅速變差。更關(guān)鍵的一個(gè)問題是：目前的傳感器只能記錄非常少的部分神經(jīng)元，每個(gè)傳感器一次可以記錄的神經(jīng)元數(shù)量要經(jīng)過七年左右的時(shí)間才能翻一番，這個(gè)與摩爾定律相去甚遠(yuǎn)的速度也意味著記錄大腦的活動(dòng)還遠(yuǎn)未完成。

到底要多靠近具體神經(jīng)元是腦機(jī)接口制作過程中的另一個(gè)關(guān)鍵問題。對(duì)于患有帕金森等運(yùn)動(dòng)障礙疾病的患者來說，會(huì)有相當(dāng)大的組織區(qū)域使用面條般粗細(xì)的導(dǎo)線和大電極，記錄神經(jīng)元集合的活動(dòng)可以用于解碼類似抓取某種物體這樣相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。但要生成可以控制某個(gè)手指的精細(xì)信號(hào)，問題就會(huì)難上很多，這是因?yàn)樯窠?jīng)元通常會(huì)集合起來放電，匯總這些信號(hào)時(shí)肯定會(huì)犧牲掉很多細(xì)節(jié)，這也就需要電極或者傳感器要距離相應(yīng)腦區(qū)盡可能的近。

科學(xué)似乎陷入了一個(gè)困境：要獲得腦信號(hào)就必須盡可能接近人腦，但那又意味著對(duì)腦不可避免的破壞。所以，在符合預(yù)期的腦機(jī)接口誕生前，科學(xué)也許需要一次偉大的創(chuàng)新，讓機(jī)器學(xué)習(xí)和大腦的可塑性真正結(jié)合起來。當(dāng)然，他們?cè)谶@中間將面臨效率和道德的巨大挑戰(zhàn)。