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昨天(8月1日),在南方科技大學和騰訊共同主辦的首屆“青年科學家50?論壇”上,由騰訊贊助的“科學探索獎”歷屆100位獲獎人,基于對當今科學熱點問題的思考和對科學發展趨勢的判斷,提出了“十大科學技術問題”。其中一個廣受公眾關注的問題是“人腦和機器是否能實現直接通訊?”

對此問題的直接回答是:“可以,而且此技術已有多年的研究歷史。”目前的主要動機是想要幫助運動和感知功能受損的殘障人士,但技術發展和商業動力不會止步于此。未來會怎樣?我們請美國喬治城大學神經科學系教授吳建永對此做個幻想未來。除卻目前的繁瑣技術,可能的走向是什么?他認為,腦機接口技術的未來發展可能完全脫出俗套,需要解決的科學問題遠多于技術問題。

撰文 | 吳建永(美國喬治城大學神經科學系教授)

我先對題目里的“直接通訊“咬文嚼字一下,所謂的“直接”是什么意思。按理講我們都明白,人腦和機器直接通訊就是往腦子里插電線唄。但是,隨著技術的進步,人機通訊可以不用“插電線”,而用超聲,用光,用磁場或微波來進行。另外“電線”的定義也會隨著技術進步越來越模糊。比如,用無線傳輸代替穿過頭皮和頭骨的電線。又比如,利用與神經細胞大小類似的無線芯片實現通訊,這樣電線雖然還是有的,卻只在“最后一微米”存在,變成鍍在硅片上的薄層金屬膜,一邊是個神經細胞,另一邊是個COMS晶體管。甚至用神經細胞膜直接當做場效應管的柵極。

所以,我把“直接通訊”理解為“繞過天然的五官或肌肉,讓神經細胞與電子線路進行直接的信息交換”。

為什么要繞過感官和肌肉呢?目前的主要用途是幫助感官損壞或不能活動的殘障人士獲得比較高的生活質量。我們都看到過能讓截癱病人打字、吃油條、喝可樂的新聞。

由于腦機接口帶來的道德考慮,目前腦機接口的受眾主要是殘疾人。然而隨著技術不斷完善,應用會逐漸變寬,“幫助殘障人士”的界限也變得模糊了。比如阿爾茲海默癥失憶患者將來有可能利用腦機接口來增強記憶,恢復生活自理的能力。那么記憶差的人是否也能用腦機接口增強記憶?繼續發展下去就變成幫正常人增強記憶和思想活動的工具,比如所謂"腦讀”設備,利用腦機接口驅動的搜索引擎,數據庫等等。設想一下不用考大學,甚至根本不用上大學就能考滿分的感覺多么“好”(這種魔幻的生活什么樣?有興趣的讀者可閱讀我幾年前寫的《裝上腦機接口是個啥體會?| 小爐匠沙龍》)。

回憶一下第一次工業革命的機器幫助了人類的肌肉,把鐵鍬變成挖掘機就掀起了社會巨變,就不難設想人腦與機器間實現高速通訊會造成怎樣天翻地覆的社會變革。到時候,大腦高度互聯的超級文明會不會終結目前建立在個體松散連接基礎上的人類文明?

這里不討論人類文明結束以后的事,只談談想在這個巨變之前,我們作為目前社會中松散連接的渺小個體,怎樣改進腦機接口技術,逐漸讓腦機接口變得更安全可靠、更強大。

腦機接口的基本原理

我們知道神經細胞利用電信號來相互通訊。神經細胞的電信號是短促的放電(圖1A),聽起來像收音機里劈劈啪啪的靜電噪聲。如果在神經細胞旁邊放一個電極,就可以接收到神經的放電(圖1B)。同樣,這個電極也可以把外界的電流送過來,這個神經細胞受電流影響就會放電(圖1C)。這樣,電極與神經細胞之間就實現了雙向的收發通訊。這個雙向通訊從大腦的角度看,神經細胞接受外部電流引起放電就叫產生“感覺(sensory)”,而神經細胞放的電通過電極送出去就導致了“運動(motor)”。

圖1 腦機接口基本原理 A 左為大腦皮層中的神經細胞,中為神經放電的電信號,放電信號很短促,只有大約千分之一秒。右為同一個細胞的一串放電。神經信息是編碼在其放電的個數、頻率(單位時間內放電數目)以及不同神經細胞之間的協同等幾種形式上的。B 當一個電極靠近神經細胞時,神經細胞發出的放電信號(黑色豎線)就能被電極接收。電極的構造是一個導電的尖端(紅色)和后面的電線構成。電線周圍包裹著絕緣層(藍色)以防止漏電。C 當給電極通上電流時,神經細胞會受電流的影響而放電。圖中紅線代表通電流的時間和強度,黑線代表神經細胞的放電。

腦機接口的電極一般包含一個導電的尖端和一根外裹絕緣層的長電線。尖端用來接收和發送電信號,而后邊外裹絕緣層的電線則用于遠距離傳輸時防止漏電。從細胞的尺度上看,幾厘米的距離已經是千山萬水了。所以,實現腦與機器直接通訊在原理上是十分簡單的,只需要用電極靠近神經細胞就行了。但從技術上看,又不那么簡單:電極尖端與神經細胞需要靠得很近,距離稍遠信號就可能被噪聲淹沒。而尖端太近了可能會破壞了那個神經細胞,使這條通路失效。所以尖端的尺度、電極插入的方法、電極材料能與腦組織相容性、電極桿是否足夠細、能否隨腦組織飄動而不引起損傷等等,都是困擾現今腦機接口應用的技術性問題。