當(dāng)大腦連上計(jì)算機(jī)

善行無跡

看過《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》《黑客帝國》《環(huán)太平洋》的同學(xué)一定對(duì)其中的腦控技術(shù)印象深刻。通過對(duì)大腦神經(jīng)信號(hào)的解碼和編碼，主人公或穿梭于真實(shí)和虛擬的兩個(gè)世界，或操縱機(jī)甲外骨骼戰(zhàn)斗。這些炫目的科技雖然各不相同，但無—例外都是依賴于對(duì)我們大腦功能的解讀和發(fā)展。大腦作為我們?nèi)梭w的CPU，負(fù)責(zé)接收和處理所有內(nèi)部和外部信息，并發(fā)出指令控制我們的行動(dòng)。相比其他生命體，人類的大腦如此強(qiáng)大，以至于很多時(shí)候我們都“心”有余而“力”不足。而腦機(jī)接口的產(chǎn)生就是為了克服人類的身體限制，或者彌補(bǔ)機(jī)能缺陷或者增強(qiáng)人體功能。

腦機(jī)接口技術(shù)簡稱BCI或BMI，是指在大腦和外部設(shè)備之間創(chuàng)建直連通路，通過對(duì)大腦特定區(qū)域和功能的解碼，和外部設(shè)備進(jìn)行信息交換。通過對(duì)大腦信號(hào)的記錄和翻譯，我們不僅能真正實(shí)現(xiàn)“讀心術(shù)”，甚至能夠讓肢體殘缺的人重新奔跑，讓普通人成為“超人”。

研究者的水晶球

就像西方的巫師通過水晶球可以窺測(cè)內(nèi)心的秘密，腦機(jī)接口技術(shù)就是科學(xué)家們解讀大腦的利器。自從人類意識(shí)到大腦中的信息加工和傳遞其實(shí)是神經(jīng)元的電活動(dòng)，研究者們就開始嘗試解碼大腦信號(hào)，深入理解大腦工作的本質(zhì)。曾獲得1981年諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的哈貝爾教授與韋塞爾教授早在20世紀(jì)50年代開始，就通過記錄貓的視覺皮層神經(jīng)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)視皮層細(xì)胞能夠?qū)ν饨缫曈X刺激的不同特征產(chǎn)生偏好反應(yīng)，至此神經(jīng)科學(xué)揭開了新的篇章。五色奪人目，音律醉人耳，美味沁之心脾，現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究告訴我們這些無非是大腦產(chǎn)生的電信號(hào)而已。正如《黑客帝國》中展示的虛擬世界，什么是真實(shí)？真實(shí)就是能夠給我們大腦帶來相應(yīng)知覺體驗(yàn)的神經(jīng)活動(dòng)。既然我們對(duì)外界的刺激能夠用不同的神經(jīng)元發(fā)放模式來編碼，那么如果我們能夠“讀取”并且“翻譯”出神經(jīng)元攜帶的這些信息，不就能夠知道大腦在“想”什么了嗎？反過來我們還可以通過人工編碼神經(jīng)信息讓大腦直接“看到”或者“聽到”。

到了20世紀(jì)70年代，研究人員就利用電生理技術(shù)（Electrophysiology）嘗試將獼猴運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電信號(hào)記錄下來，并成功讓獼猴學(xué)會(huì)操作機(jī)械手臂，這就是腦機(jī)接口的雛形。在單向腦機(jī)接口情況下，信號(hào)只能由外部傳入大腦（編碼），或者由大腦傳輸給外部設(shè)備（解碼）。而對(duì)于雙向腦機(jī)接口，信息可以在大腦和外部設(shè)備間同時(shí)雙向交換。相對(duì)于單向腦機(jī)接口，雙向接口具備了一個(gè)閉環(huán)回路的基本條件，并能夠通過閉環(huán)反饋對(duì)大腦或者外部設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置。通過這種方式，未來我們不但可以通過意念操作外部設(shè)備，而且還可以通過直接向大腦輸送信息來學(xué)習(xí)掌握知識(shí)。

“打開心扉”之路

隨著神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在21世紀(jì)初，美國杜克大學(xué)和布朗大學(xué)的研究人員已經(jīng)能夠采用更先進(jìn)的多電極陣列同時(shí)記錄獼猴運(yùn)動(dòng)皮層的若干個(gè)神經(jīng)元電信號(hào)，并且成功地預(yù)測(cè)了獼猴的運(yùn)動(dòng)軌跡。這些研究為下一步直接利用大腦信號(hào)操作外部設(shè)備提供了實(shí)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。盡管目前研究人員有各種技術(shù)手段來采集和分析大腦信號(hào)，但是大部分技術(shù)只能夠應(yīng)用到動(dòng)物研究和離體細(xì)胞研究中，一旦要應(yīng)用到人的身上就會(huì)牽涉到各種技術(shù)和倫理方面的問題。這種侵入式腦機(jī)接口需要把記錄或刺激電極植入到大腦中，以獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，但缺點(diǎn)是會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)和產(chǎn)生疤痕組織，不能長時(shí)間使用。

另一種神經(jīng)信號(hào)記錄方式是被稱為皮層電極（Electrocorticography，ECoG）的半侵入技術(shù)，它將電極本身覆蓋在大腦皮層表面，盡管仍需要開顱但不會(huì)對(duì)大腦本身造成損傷。目前ECoG被較多地用于大腦損傷病人的臨床研究中。相比侵入性電極，其缺點(diǎn)是定位不夠精確，并且對(duì)于大腦深部的結(jié)構(gòu)無能為力。而非侵入式記錄方式則不需要開顱，只需要將電極貼在頭皮上進(jìn)行記錄，比如腦電（Electroencephalogram，EEG），近紅外成像（functional near-infrared spectroscopy，fnir）。目前非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)廣泛地用于科研中，雖然有無損傷和穿戴方便的優(yōu)勢(shì)，但是信噪比低，容易受到各種干擾。

雙刃劍

大家也許還覺得腦機(jī)接口似乎和我們普通人相距甚遠(yuǎn)。其實(shí)一些初級(jí)的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于醫(yī)療和康復(fù)訓(xùn)練當(dāng)中。一些研究已經(jīng)將機(jī)械義肢和神經(jīng)科學(xué)相結(jié)合，通過大腦信號(hào)控制機(jī)械臂來幫助殘障人士恢復(fù)正常功能。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)不僅僅是唯一的障礙，帶來的倫理問題也顯而易見。人們擔(dān)心腦機(jī)接口的存在會(huì)成為黑客或者政府入侵大腦的后門，未來個(gè)人隱私如何保障，是否會(huì)成為精神控制的新型犯罪。

從廣義的角度來看，所謂的腦機(jī)接口其實(shí)就是擴(kuò)展大腦功能，延伸身體極限的活動(dòng)或者裝置。早在人類原始社會(huì)，我們的祖先就用打繩結(jié)記事這種簡單粗陋的方式來擴(kuò)展大腦的功能。正因?yàn)榇竽X的記憶能力有限，我們發(fā)明了各種方式來幫助我們記憶海量的信息，從粗糙的打繩結(jié)記事到后來的書寫繪畫，再到當(dāng)今的手機(jī)電腦，其實(shí)都是在利用工具擴(kuò)展我們大腦的記憶容量，增強(qiáng)大腦的各種功能。筆記本電腦、硬盤、手機(jī)并不僅僅是一部機(jī)器，同時(shí)也是我們大腦的一部分。通過“無線連接”（視覺聽覺）使我們能夠輕松地管理各種信息。然而過分依賴這些增強(qiáng)大腦記憶容量的外部設(shè)備，反而削弱了大腦的能力。回想手機(jī)出現(xiàn)之前，我們還多少能夠記住幾個(gè)重要電話號(hào)碼，但現(xiàn)在我們又能隨口報(bào)出幾個(gè)常用電話號(hào)碼呢？交通工具的迅猛發(fā)展在方便出行的同時(shí)又導(dǎo)致現(xiàn)代人的體力持續(xù)下降。這種生活方式的進(jìn)化反而導(dǎo)致了某種意義上的退化，那么未來隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，本意為了拓展大腦功能的技術(shù)，是否反而會(huì)成為束縛人類生活的枷鎖呢？我們拭目以待。