DARPA布局腦機(jī)接口技術(shù)

編譯 陸默

通過電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)和遺傳學(xué)開發(fā)的腦機(jī)接口技術(shù)，盡管聽起來有些瘋狂，似乎并非不能實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)埃隆·馬斯克（Elon Musk）和美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）都在進(jìn)入“半電子人”開發(fā)快車道時(shí)，我們知道，人腦與機(jī)器的結(jié)合——腦機(jī)接口（BMIs）即將實(shí)現(xiàn)看似不可能的事情。

科幻小說里經(jīng)常可以看到的腦機(jī)接口技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中起到了促進(jìn)生物學(xué)人腦與外部計(jì)算機(jī)之間交流的作用，將人類變成了真正的半電子人。然而，無論是大腦控制的機(jī)械手臂、微電極“神經(jīng)貼片”或“記憶創(chuàng)可貼”，都仍只是針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)受損者的實(shí)驗(yàn)性醫(yī)療手段。

DARPA正在嘗試通過下一代非手術(shù)神經(jīng)技術(shù)（N3）項(xiàng)目將BMIs擴(kuò)展到軍事領(lǐng)域。不久前該項(xiàng)目邀請了六個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)來設(shè)計(jì)不同的BMIs，將機(jī)器與健壯士兵的大腦連接起來。這個(gè)項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)在完全不依靠手術(shù)并盡量減少任何生物學(xué)干預(yù)的前提下，將人類大腦與機(jī)器連接起來。

目前，技術(shù)可通過外科手術(shù)將微電極植入大腦，以控制神經(jīng)元的交流，而下一代BMIs將尋求通過聲學(xué)信號(hào)、電磁波、納米技術(shù)、基因增強(qiáng)的神經(jīng)元，以及紅外光束的途徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦神經(jīng)元的控制。

這一變革影響巨大，可能會(huì)產(chǎn)生激動(dòng)人心的成果，也可能會(huì)招致毀滅性的結(jié)果。無線BMIs可以極大地增強(qiáng)患有神經(jīng)損傷或創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）退伍軍人的身體功能，也可運(yùn)用于讓一名士兵用大腦控制一群人工智能無人機(jī)。或者，就像電視劇《黑鏡》（Black Mirror）第三季第五集《人與火的對(duì)戰(zhàn)》（Men Against Fire）所描述的那樣，讓士兵擺脫戰(zhàn)爭帶來的負(fù)罪感。

當(dāng)這些新技術(shù)逐漸應(yīng)用到民用領(lǐng)域時(shí)，它們將給醫(yī)療帶來革命性的變化。或者他們可以用一種不可思議的強(qiáng)大工具來激發(fā)超人類主義運(yùn)動(dòng)，給整個(gè)社會(huì)帶來根本性的變革，無論是變得更美好或變得更糟糕。

為期四年的N3項(xiàng)目著重于兩個(gè)方面：非侵入性和精密的神經(jīng)接口，用于讀取大腦信息和將信息寫入大腦。

安裝在頭皮上的非侵入性技術(shù)的傳感器和刺激器可對(duì)整個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量，比如控制運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，因此這樣的腦機(jī)接口系統(tǒng)可以讓士兵遙控?zé)o人機(jī)、救援機(jī)器人或波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics，原谷歌旗下）的“大狗”（BigDog）這樣的運(yùn)載機(jī)器人。該系統(tǒng)甚至可以促進(jìn)開發(fā)多任務(wù)技術(shù)，即同時(shí)控制多種武器，就像身體健全的人除了可以用到自己的兩只手臂外，還可以操縱第三只機(jī)械手臂一樣。

只有微小創(chuàng)口的侵入性技術(shù)可允許科學(xué)家無需手術(shù)就能傳遞納米傳感器，例如，注射一種攜帶光敏傳感器的病毒，或其他化學(xué)、生物技術(shù)或自組裝納米機(jī)器人，它們可以聯(lián)結(jié)單個(gè)神經(jīng)元，在不損害敏感組織的情況下獨(dú)立控制它們的活動(dòng)。這些技術(shù)的潛在用途目前還不甚明確，但正如動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所表明的那樣，控制單個(gè)神經(jīng)元在多個(gè)點(diǎn)的活動(dòng)，足以將有關(guān)恐懼、欲望和經(jīng)歷的人工記憶直接輸入大腦。

“一個(gè)（腦機(jī)接口）神經(jīng)界面能夠讓身體健全的作戰(zhàn)人員快速、有效、直觀地與軍事系統(tǒng)進(jìn)行免提交互，這是該項(xiàng)目的最終目標(biāo)。”DARPA在2018年年初發(fā)布的簡報(bào)中寫道。

這一技術(shù)最終還將有可能被用來提高人類健康水平。“最終的N3傳遞物將包括一個(gè)完整的集成雙向腦機(jī)接口系統(tǒng)。”項(xiàng)目描述中如此說道。這不僅包括硬件，還包括為這些系統(tǒng)量身定制的新算法，這一設(shè)想在“國防部相關(guān)應(yīng)用程序”中進(jìn)行了演示。

從一開始，腦機(jī)接口就將核磁共振（MRI）或經(jīng)顱磁刺激（TMS）所用的包括微電極在內(nèi)的一些常用工具排除在外，之前這些流行技術(shù)都需要依賴于外科手術(shù)，并且需要用到一些笨重的器械，受測試者還必須要維持靜止不動(dòng)的狀態(tài)，這無法體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中大腦活動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)。

這六個(gè)研究團(tuán)隊(duì)將利用三種不同的自然現(xiàn)象進(jìn)行腦機(jī)交流：磁力、光束和聲波。

例如，萊斯大學(xué)的雅各布·羅賓遜（Jacob Robinson）博士正在開發(fā)一個(gè)將基因工程、紅外激光束和納米磁懸浮技術(shù)結(jié)合在一起的雙向系統(tǒng)。這一耗資1 800萬美元的項(xiàng)目簡稱為MOANA（磁力、光學(xué)和聲學(xué)神經(jīng)通路設(shè)備），該系統(tǒng)利用病毒將兩個(gè)額外的基因送入大腦。其中一種基因編碼位于神經(jīng)元頂端的某種蛋白質(zhì)，當(dāng)細(xì)胞被激活時(shí)就會(huì)發(fā)出紅外線。紅外光可以穿透頭骨，內(nèi)置于顱蓋的光發(fā)射器和探測器接收并解讀這些信息。研究小組解釋說，超高速超敏感的光電探測器可忽略散射光線，并從大腦目標(biāo)部位梳理并選擇相關(guān)信號(hào)。

另一種新基因幫助將指令寫入大腦。這種蛋白質(zhì)將鐵納米粒子與神經(jīng)元的激活機(jī)制“綁定”成為磁性超級(jí)神經(jīng)元，通過耳機(jī)上的磁線圈，研究小組可以在不影響其他神經(jīng)元的情況下，遠(yuǎn)程刺激帶磁性的超級(jí)神經(jīng)元。研究小組計(jì)劃從細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開始，但他們的最終目標(biāo)是將視覺圖像從一個(gè)人的大腦傳到另一個(gè)人的大腦里。

“四年后，我們希望能在不做腦部手術(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)大腦與大腦之間思維的直接溝通。”羅賓遜說。

N3還包括其他一些雄心勃勃的項(xiàng)目。例如，卡耐基梅隆大學(xué)的研究小組計(jì)劃使用超聲波來精確定位目標(biāo)大腦區(qū)域光的交互作用，然后通過一頂可穿戴的“帽子”來檢測大腦活動(dòng)。為在大腦中寫入信息，他們設(shè)想一種靈活的可穿戴的微型發(fā)電機(jī)，它可以抵消頭蓋骨和頭皮的噪音影響，定位特定的神經(jīng)群。

同樣，約翰霍普金斯大學(xué)的一個(gè)研究小組也在研究如何測量大腦中光路的變化，將其與大腦中“閱讀”人腦指令的區(qū)域活動(dòng)建立聯(lián)系。

相比之下，Teledyne科學(xué)與成像小組的研究方向是微型光能“磁力儀”，以探測神經(jīng)元在放電時(shí)產(chǎn)生的微弱局部磁場，并將這些信號(hào)與大腦輸出信息匹配起來。

來自非營利組織Battelle團(tuán)隊(duì)的“頭腦風(fēng)暴”納米傳感器是一項(xiàng)更具想象力的設(shè)計(jì)，他們將磁性納米顆粒包裹在壓電體外殼中，壓電體外殼可將神經(jīng)元發(fā)出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁性信號(hào)，反之亦然。這樣外部收發(fā)器可以無線接收轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，并通過腦機(jī)接口雙向通道刺激大腦。微型磁力儀可以通過鼻噴劑或其他非侵入性方法導(dǎo)入大腦，并通過磁力引導(dǎo)其進(jìn)入大腦目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)不再需要它們時(shí)，也可以再次被引出大腦，進(jìn)入人體血液，然后身體可以不受傷害地排出它們。

這些都令人興奮嗎？是的，對(duì)于腦機(jī)接口研究的進(jìn)展，科學(xué)家同樣非常興奮。然而，研究團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)也是十分巨大的。

DARPA宣稱，他們的目標(biāo)要在大腦中至少16個(gè)位置建立起腦機(jī)接口聯(lián)系，反應(yīng)滯后時(shí)間小于50毫秒，相當(dāng)于人類視覺感知的平均水平。對(duì)于位于大腦外部的設(shè)備來說，無論在空間還是時(shí)間上，這都是非常高的分辨率。腦組織、血管、頭皮和頭骨都是分散和消散神經(jīng)信號(hào)的屏障。六個(gè)團(tuán)隊(duì)都需要找出方法，以最小計(jì)算強(qiáng)度從背景噪音中提取出相關(guān)大腦信號(hào)，并定位它們所在的大腦區(qū)域，以破譯大腦意圖。

從長遠(yuǎn)來看，四年時(shí)間，以及每個(gè)項(xiàng)目平均2 000萬美元的投入，可能并不足以改變我們與機(jī)器之間的關(guān)系，無論這種改變是好還是壞。但DARPA敏銳地意識(shí)到遠(yuǎn)程大腦控制有可能被濫用，該項(xiàng)目將在一個(gè)具有生物倫理專業(yè)背景的外部顧問小組指導(dǎo)下進(jìn)行。盡管DARPA的主要目標(biāo)是讓身體健全的士兵能夠更好地應(yīng)對(duì)戰(zhàn)斗挑戰(zhàn)，但不可否認(rèn)的是，無線非侵入性的BMIs也會(huì)讓那些最需要幫助的人受益，包括退伍軍人和其他神經(jīng)受損的人。為此，該項(xiàng)目正與美國食品藥品管理局（FDA）緊密合作，以確保該項(xiàng)目和其開發(fā)的技術(shù)符合人類使用的安全性和有效性法規(guī)。

四年時(shí)間我們能達(dá)成這個(gè)腦機(jī)接口目標(biāo)嗎？一些人也許有所懷疑。但是這些通過電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)和遺傳學(xué)開發(fā)的BMIs，盡管聽起來有些瘋狂，似乎并非不能實(shí)現(xiàn)。

N3項(xiàng)目經(jīng)理阿爾·艾蒙迪（Al Emondi）說：“DARPA正在為未來做準(zhǔn)備，在這個(gè)未來里，無人系統(tǒng)、人工智能和網(wǎng)絡(luò)操作的結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致沖突在一個(gè)很短的時(shí)間點(diǎn)上爆發(fā)，而人類僅憑現(xiàn)有技術(shù)可能無法在那么短時(shí)間里對(duì)其進(jìn)行有效管理。”

問題是，既然我們已經(jīng)知道未來會(huì)發(fā)生什么，我們其他人應(yīng)該做好哪些準(zhǔn)備呢？