腦機(jī)接口
——下一個前沿

文 劉 洋

如果腦機(jī)接口變成現(xiàn)實(shí)，所有設(shè)備都會更智能，智能的內(nèi)涵也將與現(xiàn)在大為不同?？紤]到這個領(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)的動作電位組合起來，就可以還原出每一段記憶、支配每一個動作、組織每一個想法。不過，要做到這一點(diǎn)絕非易事。成年人大腦中有大約850億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元都會通過突觸與超過10000個同類細(xì)胞建立連接。

以往，人們只能從大腦外部讀取腦電信號，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，人們要測腦電圖就需要戴上特殊的帽子，許多電極也同時被壓在頭皮上。為了提升測試的效果，研究人員還會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，每個電極會探測到數(shù)千個神經(jīng)元被激活時產(chǎn)生的電流，并在顯示器上顯示出來。但令人遺憾的是，這種方法只能探測到電極覆蓋位置的腦電活動，對大腦深部的情況仍一無所知。

這是因?yàn)槟X電信號極度龐雜且非常微弱，肌肉因素和環(huán)境電流都會對其造成干擾。因此，只有距離大腦皮層足夠近才能識別出部分非常強(qiáng)烈的信號，例如當(dāng)大腦發(fā)現(xiàn)某種錯誤時就會釋放出非常強(qiáng)烈的電流，人在清醒、疲勞、困倦進(jìn)而專注度下降時也會看到腦電強(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。

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)動皮層的微小電極陣列。如果有人想移動鼠標(biāo)，這些電極就會將信號傳遞到解碼器上，后者將這些信號放大后再轉(zhuǎn)換成其他信號，從而帶動外部的機(jī)械手臂去操作鼠標(biāo)。

相同時間內(nèi)，腦機(jī)接口還取得了一系列突飛猛進(jìn)的成績。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)家又讓幾個截癱患者用意念實(shí)現(xiàn)了每分鐘39個字母的輸入速度。

腦機(jī)接口時代即將來臨

當(dāng)然，所有這些都還是不具有普遍意義的個案。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，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)元活動的電極來探知大腦的活動情況。盡管聽起來非常簡單，但這種方法其實(shí)面臨著幾個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：首先是設(shè)備的集成，要搜集上百萬個神經(jīng)元的電信號就必須將數(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問題的想法；最后是數(shù)據(jù)的傳輸，同步掃描超過100萬個神經(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4部超高清電影，傳輸這些數(shù)據(jù)會產(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)顆粒”的元器件。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，成千上萬粒同時使用也不會引起明顯的不適；該領(lǐng)域另一個重要領(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，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、光遺傳學(xué)和超聲波的方法記錄腦電活動。但由于科學(xué)家尚不清楚磁場、光和超聲波會對大腦產(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)對無創(chuàng)傷腦電探測非常有價值。利用這種技術(shù)時，向大腦投放的光線要么被吸收，要么被反射回來，從而會形成一個關(guān)于大腦神經(jīng)活動的影像?？蛇@種技術(shù)測量的指標(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)信號的狀況。又由于光線會在組織細(xì)胞中分散，信號確切源頭也很難被識別出來。

工業(yè)界也在加大對腦機(jī)接口的投資。埃隆·馬斯克（Elon Musk）的Nurolink寄希望于在8年時間內(nèi)開發(fā)出普通人都可以使用的腦機(jī)接口；Facebook也啟動了一個“無聲語言”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、同時又不對大腦的物理結(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)可以通過對神經(jīng)信號的大量檢測準(zhǔn)確預(yù)測出斑馬雀接下來會發(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)家就會發(fā)現(xiàn)工作量非常巨大。例如，鼠標(biāo)的移動只需要兩個自由度，但靈巧地操作人的手需要27個自由度；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。漫長的投資回報(bào)期和深奧的前沿科技的結(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的腦區(qū)。但在這個過程中，人體極易發(fā)生感染，植入物在腦區(qū)內(nèi)的輕微移動也可能損害它正在記錄的細(xì)胞，大腦對異物的免疫反應(yīng)還會在電極周圍產(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)過七年左右的時間才能翻一番，這個與摩爾定律相去甚遠(yuǎn)的速度也意味著記錄大腦的活動還遠(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關(guān)鍵問題。對于患有帕金森等運(yùn)動障礙疾病的患者來說，會有相當(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)元集合的活動可以用于解碼類似抓取某種物體這樣相對簡單的運(yùn)動信號。但要生成可以控制某個手指的精細(xì)信號，問題就會難上很多，這是因?yàn)樯窠?jīng)元通常會集合起來放電，匯總這些信號時肯定會犧牲掉很多細(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)似乎陷入了一個困境：要獲得腦信號就必須盡可能接近人腦，但那又意味著對腦不可避免的破壞。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，他們在這中間將面臨效率和道德的巨大挑戰(zhàn)。