文/陳根
2014年6月12日，圣保羅巴西世界杯的開幕式，一個(gè)下身癱瘓的巴西少年，依靠大腦控制機(jī)械骨骼的裝置，順利開球，這一全球目睹的史詩級時(shí)刻，就是腦機(jī)接口最早的真實(shí)應(yīng)用。
此后，腦機(jī)接口的突破性技術(shù)開始頻繁刊載于各大學(xué)術(shù)期刊，以及各新聞的科技版面。2020年8月末，馬斯克再一次召開了其腦機(jī)接口公司Neuralink有關(guān)腦機(jī)接口最新進(jìn)展的發(fā)布會，并展示了三只植入腦機(jī)芯片的小豬，人們可以通過顯示器來觀察豬的腦電波活動(dòng)，并預(yù)測其行為。
馬斯克的直播吸引了全球15萬人的關(guān)注，一時(shí)間，關(guān)于腦機(jī)接口的技術(shù)關(guān)涉和倫理擔(dān)憂等議題紛至沓來。事實(shí)上，作為一項(xiàng)前沿科技，腦機(jī)接口之所以能夠聚集這么多的關(guān)注，一來是因?yàn)槠淅冕t(yī)療以及社會的巨大空間，二來就是腦機(jī)接口打造的是一個(gè)關(guān)乎“人”的終極神話。
而在終極神話中，人們目前想像到的不外乎人腦與人的意識大幅提升，比如無限的記憶，更高速的運(yùn)算；意識與機(jī)器的融合；對抗人工智能霸權(quán)等。
這當(dāng)然是一個(gè)漫長的神話，但馬斯克以及更多腦機(jī)接口的突破技術(shù)卻似乎也呼應(yīng)和強(qiáng)化這樣的想象，但在技術(shù)“無上限”的幻想前，我們先要回到最初的起點(diǎn)，去回答一個(gè)關(guān)乎技術(shù)需求的邊界和技術(shù)邏輯的極限的問題。
腦機(jī)接口以何立之？
所謂的腦機(jī)接口技術(shù)（brain-computer interface，BCl），就是一種實(shí)現(xiàn)人腦和計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備之間通信的系統(tǒng)。腦機(jī)接口系統(tǒng)通過在人腦和計(jì)算機(jī)之間建立直接的信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)大腦與外部世界的直接交互。
腦機(jī)接口屬于神經(jīng)科學(xué)里電生理學(xué)（electrophysiology）的衍生，二者使用的基本設(shè)備都不外乎是各種電極、信號放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)分析軟件。
不同的是，傳統(tǒng)電生理學(xué)，主要是通過采集并觀察實(shí)驗(yàn)者/實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在生理或病理狀態(tài)下特定腦區(qū)的神經(jīng)元電信號數(shù)據(jù)來分析大腦的活動(dòng)狀態(tài)，并以此推斷這些現(xiàn)象背后可能的生理/病理機(jī)制。而腦機(jī)接口技術(shù)，則更注重對腦內(nèi)采集的電信號進(jìn)行解讀，并將其輸出為計(jì)算機(jī)可以理解的程序指令，最終實(shí)現(xiàn)直接用神經(jīng)元電活動(dòng)來控制電子設(shè)備運(yùn)行的目標(biāo)。
但不論是腦機(jī)接口，還是電生理學(xué)，歸根結(jié)底，都離不開腦科學(xué)的支撐。事實(shí)上，腦機(jī)接口始于腦科學(xué)，也受腦科學(xué)發(fā)展的局限。
腦是人類最為獨(dú)特的器官。數(shù)以千億的神經(jīng)元，組成了人腦的基本結(jié)構(gòu)：負(fù)責(zé)處理大部分思維活動(dòng)的大腦、負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的小腦以及連接其中的腦干。
其中，腦干雖然最為原始，卻并不“低級”，腦干將大腦、小腦與脊髓連接起來，大腦與軀體間幾乎所有的神經(jīng)投射都要通過這里。此外，腦干本身還調(diào)控著呼吸、體溫和吞咽等最重要生命活動(dòng)，甚至大腦的意識活動(dòng)也需要由它的“網(wǎng)狀激活系統(tǒng)（reticular activating system, RAS）”來維持?；诖耍X干得以成為人體最致命的要害；而一旦損毀，就是字面意義上的“秒殺”。
對于大腦來說，結(jié)構(gòu)則更加復(fù)雜。大腦是人類所有組織器官中最復(fù)雜和最智能的部分，是整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的樞紐，也是人體所有其它器官的指揮者。生物研究領(lǐng)域中的專家學(xué)者經(jīng)過長期的研究，根據(jù)人類大腦中不同活動(dòng)中的激活狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了不同的腦區(qū)對應(yīng)著不同的認(rèn)知功能，比如視覺、觸覺、聽覺、語言、運(yùn)動(dòng)等。
而大腦，正是腦機(jī)接口電信號產(chǎn)生的地方。大腦時(shí)時(shí)刻刻接受來自視神經(jīng)、聽覺神經(jīng)等，以及周圍神經(jīng)系統(tǒng)（Peripheral Nervous System）傳送過來的信號。大腦將這些信號進(jìn)行解析，并產(chǎn)生感覺，進(jìn)而對外在環(huán)境做出反應(yīng)形成運(yùn)動(dòng)信號。運(yùn)動(dòng)信號再通過脊髓傳達(dá)到周圍神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制肌肉控制人的身體，做出復(fù)雜（高級）運(yùn)動(dòng)行為。
當(dāng)腦神經(jīng)開始處理信息，就會產(chǎn)生相應(yīng)的電磁信號。從神經(jīng)元的構(gòu)造來看，當(dāng)神經(jīng)元傳達(dá)信號時(shí)，神經(jīng)元內(nèi)外的帶電離子流動(dòng)形成電流，電流到達(dá)突觸后激發(fā)化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)傳遞信號給下一個(gè)神經(jīng)元。當(dāng)一定數(shù)量的神經(jīng)元像集成電路一樣一起工作時(shí)，就可以產(chǎn)生能被宏觀的電極所探測到的電磁信號。
電磁型號的變化，反映出當(dāng)前皮層區(qū)域的活躍程度。這些信號經(jīng)過放大，編譯變成了包含信息的信號。這樣研究人員就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用算法推測出大腦想表達(dá)的東西。但從大腦功能的發(fā)現(xiàn)到電磁信號的翻譯，都仍只是腦科學(xué)和腦機(jī)接口技術(shù)的冰山一角。腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，研究者仍面臨著許多問題。
腦機(jī)接口的技術(shù)兩難
根據(jù)腦機(jī)接口與大腦的連接方式，可以分為非侵入式性、侵入式性和半侵入式性腦機(jī)接口。
在非侵入式腦機(jī)接口中，腦機(jī)接口設(shè)置在顱骨外，頭部的上皮點(diǎn)位是其收集腦電信號的主流方法之一。但是這種方法收集的信號存在著偽跡過大（如眨眼偽跡和面部肌肉信號偽跡），信號帶寬過低（一般小于70 Hz）和信號強(qiáng)度低（因?yàn)轱B骨阻擋）的問題。而信號的質(zhì)量直接影響了結(jié)果的質(zhì)量，顯然，再好的算法也救不回被污染的數(shù)據(jù)。
侵入式性腦機(jī)接口要求微電極植入頭骨下的大腦皮層中，直接接觸神經(jīng)元細(xì)胞以此來獲得更純凈的信號。在這種情況下，信號可能會被以高質(zhì)量產(chǎn)生采集，但隨著時(shí)間的推移容易出現(xiàn)疤痕組織，從而影響后續(xù)的信號接收此外，而一旦種植了侵入式性腦機(jī)接口/探針，就不可能將其移動(dòng)來測量大腦的其他部分。
現(xiàn)有的電極陣列再怎么精密，考慮到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況，一次能夠同時(shí)記錄到的神經(jīng)元信號數(shù)目也基本都只有兩位數(shù)，相比于整個(gè)大腦，甚至僅僅一個(gè)腦區(qū)或者核團(tuán)之中天文數(shù)字的神經(jīng)元總數(shù)，這么一點(diǎn)樣本量究竟能說明多少問題本身都是個(gè)問題。
此外，侵入式腦機(jī)接口還面臨慢性神經(jīng)炎癥，局部腦組織損傷等健康風(fēng)險(xiǎn)。比如，馬斯克和他的團(tuán)隊(duì)使用的就是在皮質(zhì)上植入和皮質(zhì)里植入相結(jié)合的方式，將類似于微絲陣列（用于皮層上）和密歇根式探針（用于皮層中）的電極植入到人的腦內(nèi)。盡管馬斯克和其團(tuán)隊(duì)提到這個(gè)電極植入機(jī)器人可以避開腦血管，進(jìn)而不打破腦血屏障，避免炎癥的發(fā)生。
但是，與皮層相關(guān)的植入方式還面臨著慢性神經(jīng)炎癥，局部腦組織損傷，以及局部腦組織損傷帶來的細(xì)胞反應(yīng)（小神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)和星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)）還有電極穿透時(shí)引發(fā)的細(xì)胞外基質(zhì)變化的反應(yīng)。這些都是因電極植入引起的慢性腦組織反應(yīng)，他們不僅會影響信號長期收集，還會引起人腦可能的惡性變異。
歸根結(jié)底，腦機(jī)接口的輸入信息也只是電極采集的大腦電活動(dòng)。顯然，若是用非侵入式的頭皮電極，就只能隔著頭皮、顱骨和腦膜記錄到大腦宏觀層面的腦電波（electroencephalogram, EEG），精度很差。而使用侵入式電極記錄具體的神經(jīng)元電活動(dòng)，破解了精度局限，但數(shù)量和安全又成了問題。
事實(shí)上，無論之后的數(shù)據(jù)處理算法多么給力，但巧婦難為無米之炊，只要源頭數(shù)據(jù)的問題沒有解決，整個(gè)腦機(jī)接口技術(shù)就難以出現(xiàn)賽博朋克作品里那種爆發(fā)性的應(yīng)用狂潮。
一個(gè)關(guān)乎“人”的終極神話
腦機(jī)接口的發(fā)展其實(shí)與腦科學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān)。只有腦科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)才能更加可靠。
事實(shí)上，目前的腦機(jī)接口，雖然也有各種意義上的進(jìn)展和應(yīng)用，比如通過記錄分析腦電，讓全身癱瘓的患者也能用電腦輸入文字、甚至操縱機(jī)械臂和無人機(jī)，但這些依然是通過精妙的算法分析，在信息量極其有限并且滿是噪音的原始數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)翻譯，這也依然和科幻作品中的構(gòu)思大相徑庭。
腦機(jī)接口的神話是人腦與人的意識可能大幅提升，包括無限的記憶，更高速的運(yùn)算，正面感受的增強(qiáng)，更好的專注度，視覺聽覺的提升，甚至是心靈感應(yīng)等超自然的想法。
另一方面，究其根本，神經(jīng)沖動(dòng)就是電與化學(xué)信號形成的網(wǎng)絡(luò)，這就意味著可能轉(zhuǎn)化為模擬信號和數(shù)字信號，這既可以讓神經(jīng)系統(tǒng)直連電子系統(tǒng)，甚至可以將人的記憶和意識徹底電子化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字永生。
但顯然，這是一個(gè)漫長的神話，在腦機(jī)接口走向神話前，必然要面臨的是人們思維與意識的解碼困境。而在目前的神經(jīng)科學(xué)的研究中，科學(xué)家們對于腦內(nèi)思維活動(dòng)的分析還并不能做到直接讀取到個(gè)體的所想和所思考。從科學(xué)研究的角度出發(fā)，腦內(nèi)活動(dòng)的理性理解，大部分是從事件跟神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性出發(fā)的，其理解過程很依賴于研究者對關(guān)聯(lián)形式主觀判斷的準(zhǔn)確性。
此外，現(xiàn)階段，科學(xué)家對意識的產(chǎn)生的研究，對記憶塑造的方法以及不同腦皮質(zhì)分區(qū)合作的機(jī)理尚沒有定論。這些問題與腦機(jī)接口是否能實(shí)現(xiàn)讓大腦與互聯(lián)網(wǎng)或者個(gè)人服務(wù)器相連接的功能實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)。
以記憶存儲為例，事實(shí)上記憶的物理形式是什么？是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，還是分子網(wǎng)絡(luò)的組學(xué)狀態(tài)，這本身就需要界定。而要實(shí)現(xiàn)記憶的存儲甚至轉(zhuǎn)移，首先需要了解記憶的編碼形式并能進(jìn)行讀取。
目前已經(jīng)知道一些基因與記憶的形成有關(guān)，甚至被當(dāng)做是否有記憶形成過程發(fā)生的依據(jù)，如c-Fos、zif268等，但是這些基因的表達(dá)模式本身并不能達(dá)到作為記憶編碼形式來對待的要求。
從應(yīng)用的角度出發(fā)，或者特殊場景的角度出發(fā)，腦機(jī)接口無疑顯示出一種實(shí)用的希望和巨大的社會價(jià)值，這需要進(jìn)一步的研究和更多的技術(shù)支撐。但同時(shí)，腦機(jī)接口也承載了一個(gè)關(guān)乎“人”的終極神話，而這關(guān)乎技術(shù)需求的邊界和技術(shù)邏輯的極限。
對技術(shù)熱情的期盼之下，其終極奧義在于，如何使用一種越來越具身性（embodiment）的技術(shù)，在無需把機(jī)械裝進(jìn)肉身的前提之下，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的連接和交互。這也涉及了一個(gè)更深刻的問題：我們的身體和大腦到底想要多大的控制范圍？或者，我們已經(jīng)為放棄控制做好了什么樣的準(zhǔn)備？
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