昨天(8月1日),在南方科技大學(xué)和騰訊共同主辦的首屆“青年科學(xué)家50?論壇”上,由騰訊贊助的“科學(xué)探索獎(jiǎng)”歷屆100位獲獎(jiǎng)人,基于對當(dāng)今科學(xué)熱點(diǎn)問題的思考和對科學(xué)發(fā)展趨勢的判斷,提出了“十大科學(xué)技術(shù)問題”。其中一個(gè)廣受公眾關(guān)注的問題是“人腦和機(jī)器是否能實(shí)現(xiàn)直接通訊?”

對此問題的直接回答是:“可以,而且此技術(shù)已有多年的研究歷史�！蹦壳暗闹饕�?jiǎng)訖C(jī)是想要幫助運(yùn)動(dòng)和感知功能受損的殘障人士,但技術(shù)發(fā)展和商業(yè)動(dòng)力不會(huì)止步于此。未來會(huì)怎樣?我們請美國喬治城大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系教授吳建永對此做個(gè)幻想未來。除卻目前的繁瑣技術(shù),可能的走向是什么?他認(rèn)為,腦機(jī)接口技術(shù)的未來發(fā)展可能完全脫出俗套,需要解決的科學(xué)問題遠(yuǎn)多于技術(shù)問題。

撰文 | 吳建永(美國喬治城大學(xué)神經(jīng)科學(xué)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(jī)器直接通訊就是往腦子里插電線唄。但是,隨著技術(shù)的進(jìn)步,人機(jī)通訊可以不用“插電線”,而用超聲,用光,用磁場或微波來進(jìn)行。另外“電線”的定義也會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)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(jīng)細(xì)胞大小類似的無線芯片實(shí)現(xiàn)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(gè)神經(jīng)細(xì)胞,另一邊是個(gè)COMS晶體管。甚至用神經(jīng)細(xì)胞膜直接當(dāng)做場效應(yīng)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(jīng)細(xì)胞與電子線路進(jìn)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(dòng)的殘障人士獲得比較高的生活質(zhì)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(jī)接口帶來的道德考慮,目前腦機(jī)接口的受眾主要是殘疾人。然而隨著技術(shù)不斷完善,應(yīng)用會(huì)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(jī)接口來增強(qiáng)記憶,恢復(fù)生活自理的能力。那么記憶差的人是否也能用腦機(jī)接口增強(qiáng)記憶?繼續(xù)發(fā)展下去就變成幫正常人增強(qiáng)記憶和思想活動(dòng)的工具,比如所謂"腦讀”設(shè)備,利用腦機(jī)接口驅(qū)動(dòng)的搜索引擎,數(shù)據(jù)庫等等。設(shè)想一下不用考大學(xué),甚至根本不用上大學(xué)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?guī)啄昵皩懙摹堆b上腦機(jī)接口是個(gè)啥體會(huì)?| 小爐匠沙龍》)。

回憶一下第一次工業(yè)革命的機(jī)器幫助了人類的肌肉,把鐵鍬變成挖掘機(jī)就掀起了社會(huì)巨變,就不難設(shè)想人腦與機(jī)器間實(shí)現(xiàn)高速通訊會(huì)造成怎樣天翻地覆的社會(huì)變革。到時(shí)候,大腦高度互聯(lián)的超級(jí)文明會(huì)不會(huì)終結(jié)目前建立在個(gè)體松散連接基礎(chǔ)上的人類文明?

這里不討論人類文明結(jié)束以后的事,只談?wù)勏朐谶@個(gè)巨變之前,我們作為目前社會(huì)中松散連接的渺小個(gè)體,怎樣改進(jìn)腦機(jī)接口技術(shù),逐漸讓腦機(jī)接口變得更安全可靠、更強(qiáng)大。

腦機(jī)接口的基本原理

我們知道神經(jīng)細(xì)胞利用電信號(hào)來相互通訊。神經(jīng)細(xì)胞的電信號(hào)是短促的放電(圖1A),聽起來像收音機(jī)里劈劈啪啪的靜電噪聲。如果在神經(jīng)細(xì)胞旁邊放一個(gè)電極,就可以接收到神經(jīng)的放電(圖1B)。同樣,這個(gè)電極也可以把外界的電流送過來,這個(gè)神經(jīng)細(xì)胞受電流影響就會(huì)放電(圖1C)。這樣,電極與神經(jīng)細(xì)胞之間就實(shí)現(xiàn)了雙向的收發(fā)通訊。這個(gè)雙向通訊從大腦的角度看,神經(jīng)細(xì)胞接受外部電流引起放電就叫產(chǎn)生“感覺(sensory)”,而神經(jīng)細(xì)胞放的電通過電極送出去就導(dǎo)致了“運(yùn)動(dòng)(motor)”。

圖1 腦機(jī)接口基本原理 A 左為大腦皮層中的神經(jīng)細(xì)胞,中為神經(jīng)放電的電信號(hào),放電信號(hào)很短促,只有大約千分之一秒。右為同一個(gè)細(xì)胞的一串放電。神經(jīng)信息是編碼在其放電的個(gè)數(shù)、頻率(單位時(shí)間內(nèi)放電數(shù)目)以及不同神經(jīng)細(xì)胞之間的協(xié)同等幾種形式上的。B 當(dāng)一個(gè)電極靠近神經(jīng)細(xì)胞時(shí),神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的放電信號(hào)(黑色豎線)就能被電極接收。電極的構(gòu)造是一個(gè)導(dǎo)電的尖端(紅色)和后面的電線構(gòu)成。電線周圍包裹著絕緣層(藍(lán)色)以防止漏電。C 當(dāng)給電極通上電流時(shí),神經(jīng)細(xì)胞會(huì)受電流的影響而放電。圖中紅線代表通電流的時(shí)間和強(qiáng)度,黑線代表神經(jīng)細(xì)胞的放電。

腦機(jī)接口的電極一般包含一個(gè)導(dǎo)電的尖端和一根外裹絕緣層的長電線。尖端用來接收和發(fā)送電信號(hào),而后邊外裹絕緣層的電線則用于遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)防止漏電。從細(xì)胞的尺度上看,幾厘米的距離已經(jīng)是千山萬水了。所以,實(shí)現(xiàn)腦與機(jī)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(jīng)細(xì)胞就行了。但從技術(shù)上看,又不那么簡單:電極尖端與神經(jīng)細(xì)胞需要靠得很近,距離稍遠(yuǎn)信號(hào)就可能被噪聲淹沒。而尖端太近了可能會(huì)破壞了那個(gè)神經(jīng)細(xì)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(xì)、能否隨腦組織飄動(dòng)而不引起損傷等等,都是困擾現(xiàn)今腦機(jī)接口應(yīng)用的技術(shù)性問題。