“腦機(jī)融合”，當(dāng)夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

李忠東

思考的電子化交流

2020年8月28日，美國(guó)企業(yè)家埃隆·馬斯克旗下的神經(jīng)連接公司舉辦了一場(chǎng)大型發(fā)布會(huì)，會(huì)上展示了腦機(jī)接口技術(shù)在工程學(xué)上的新進(jìn)展，公開(kāi)了未來(lái)有望更便捷易用的自動(dòng)植入手術(shù)設(shè)備，再次激發(fā)了人們對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的熱情和期待。發(fā)布會(huì)的亮點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物從2019年夏天的大鼠變?yōu)樾∝i，后者與人類的相似度比前者更高。植入手術(shù)由一臺(tái)專用機(jī)器人完成，植入物僅有硬幣大小，全過(guò)程僅需一小時(shí)，并可“當(dāng)天出院”。

腦機(jī)接口是指在大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建全新信息交換通路，將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識(shí)別的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的有效控制。與此同時(shí)，將外部設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)化為大腦可識(shí)別信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)外部對(duì)大腦進(jìn)行直接干預(yù)。自20世紀(jì)20年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)腦電波以來(lái)，腦機(jī)接口便應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代以后，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)階段性的探索成果，如美國(guó)匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家12年前宣稱，猴子通過(guò)腦機(jī)接口能操縱機(jī)械臂給自己喂食，這標(biāo)志著該技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)允許人們將動(dòng)物腦部與外部設(shè)備直接相連。

埃隆·馬斯克關(guān)于腦與機(jī)器交互的想法始于2016年。但真正引人注目的設(shè)想是從2019年7月開(kāi)始，他提出使用外科手術(shù)機(jī)器人把“薄紗細(xì)線”植入生物大腦，并與外部計(jì)算機(jī)處理單元相連接。埃隆·馬斯克希望，神經(jīng)織網(wǎng)可以很好地與人體其他部分“共生”，即把生物大腦與數(shù)字智能完美結(jié)合起來(lái)。事實(shí)上，早在1987年，蘇格蘭科幻小說(shuō)家伊恩·班克斯就在小說(shuō)里詳細(xì)地描述了一種覆蓋人類大腦的未來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，人們可以對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行編程，這與埃隆·馬斯克說(shuō)的神經(jīng)織網(wǎng)如出一轍。

此后數(shù)十年，這項(xiàng)技術(shù)逐漸帶來(lái)一些實(shí)用產(chǎn)品。目前，腦機(jī)接口較為成熟的應(yīng)用主要集中在神經(jīng)康復(fù)和輔助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如為失聰者植入人工耳蝸可恢復(fù)聽(tīng)力。然而該技術(shù)在重癥醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還十分有限。近年來(lái)，隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，腦機(jī)接口在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了應(yīng)用嘗試，像基于神經(jīng)信號(hào)解碼的機(jī)器翻譯、意念控制機(jī)械臂和腦控電子游戲等。

2016年，埃隆·馬斯克和其他8個(gè)人聯(lián)合創(chuàng)辦了神經(jīng)連接公司，聘請(qǐng)了加州大學(xué)舊金山分校生理學(xué)專家菲利普·薩佩斯、波士頓大學(xué)生物學(xué)專家蒂莫西·加德納等該領(lǐng)域的著名學(xué)者。該公司長(zhǎng)期與加州大學(xué)戴維斯分校開(kāi)展聯(lián)合研究，主要從事神經(jīng)織網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)，研發(fā)電腦與人腦融合技術(shù)，向人腦植入未來(lái)能夠上傳下載思想的微型電極，大幅提高人機(jī)交互速度，以期最終解決“人機(jī)共生”問(wèn)題。在談及神經(jīng)連接的科幻用途時(shí)，埃隆·馬斯克在發(fā)布會(huì)上表示：“在未來(lái)，你將能夠保存和恢復(fù)記憶?；旧峡梢园涯愕挠洃涀鳛閭浞?，然后再恢復(fù)這些記憶，還可以把它們下載到一個(gè)新的主體或機(jī)器人主體中?！?/p>

埃隆·馬斯克創(chuàng)立神經(jīng)連接公司源自于對(duì)人工智能（AI）的恐懼。他深信，在未來(lái)，AI的智力一定會(huì)比人類高，那將是一件非?？膳碌氖虑?。如果還按照生物進(jìn)化的角度任由人類的智力自我演化，那么到時(shí)候人類也許早就被滅了。而避免落后于機(jī)器的最好方式就是將我們自己轉(zhuǎn)變?yōu)锳I。那么，該如何轉(zhuǎn)變呢？只有通過(guò)腦機(jī)接口，讓人類與機(jī)器進(jìn)行融合，屆時(shí)實(shí)現(xiàn)人類中有AI，AI中有人類，兩者無(wú)法分開(kāi)，也就無(wú)所謂誰(shuí)贏了誰(shuí)。神經(jīng)連接公司希望通過(guò)腦機(jī)接口輸入思維，為人類提供無(wú)延遲、直接的高帶寬連接，幫助人類跟上先進(jìn)的AI技術(shù)，降低潛在的生存威脅。

神經(jīng)連接公司成立之初，以醫(yī)療健康領(lǐng)域?yàn)橹?。除了能幫助殘障人士控制義肢外，埃隆·馬斯克的短期目標(biāo)還包括對(duì)抗記憶力衰退、恢復(fù)頸脊髓損傷以及治療癲癇、抑郁癥、帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。深度腦部刺激或通過(guò)植入大腦的電極治療已經(jīng)用于顱腦創(chuàng)傷恢復(fù)，很多患者接受了這類手術(shù)，取得了較好的療效。另外，還有跡象表明，這類技術(shù)或許對(duì)治療自閉癥有幫助。在多數(shù)病例中，將電極植入自閉癥患者的大腦有助于改善癥狀，以及用來(lái)治療精神上癮和抑郁癥。

然而，埃隆·馬斯克的長(zhǎng)期目標(biāo)更為激進(jìn)，包括諸如“概念心靈感應(yīng) ”之類的想法。比如說(shuō)，兩個(gè)人可以通過(guò)思考來(lái)進(jìn)行電子化的交流，而無(wú)須依靠書(shū)寫或語(yǔ)言。又比如人們可通過(guò)神經(jīng)連接與自己的數(shù)字AI化身融為一體等。

小豬測(cè)試獲得成功

埃隆·馬斯克在發(fā)布會(huì)上指出，科學(xué)是重中之重，首次推出的神經(jīng)連接手術(shù)機(jī)器人將大放異彩。如果人們要避免被人工智能超越，那么大腦與機(jī)器結(jié)合的神經(jīng)條至關(guān)重要?！皬纳嫘酝{的角度來(lái)看，腦機(jī)融合必不可少，而神經(jīng)連接完全能夠勝任這一使命?！彼麖?qiáng)調(diào)說(shuō)，“我們研究團(tuán)隊(duì)的成員分享了一份‘愿望清單，內(nèi)容包括恢復(fù)癱瘓人士活動(dòng)能力、盲人視力、幫助人們心靈感應(yīng)、上傳記憶以供日后參考或者可能被下載到替換身體中等?！?/p>

發(fā)布會(huì)上，科幻設(shè)計(jì)的神經(jīng)連接手術(shù)機(jī)器人閃亮登場(chǎng)，它是溫哥華工業(yè)設(shè)計(jì)公司沃克工作室的作品。其中，神經(jīng)連接公司的工程師和科學(xué)家創(chuàng)造了基座技術(shù)，沃克工作室負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)機(jī)器人的外觀和用戶體驗(yàn)，以及在之前的演示中展示過(guò)的耳后通信終端。醫(yī)療機(jī)器人通體干凈，其選用的白色，跟設(shè)計(jì)的弧線和光滑的表面都給人帶來(lái)一種撫慰的感覺(jué)。除了白色的外表，它還有一個(gè)薄荷色的內(nèi)部，賦予機(jī)器人“一種人類的特征”，從而有助于弱化這款侵入性程序的“非人”本質(zhì)。

神經(jīng)連接手術(shù)機(jī)器人分為3個(gè)主要部分：頭部、軀體和基座。其中頭部是一個(gè)頭盔狀的部件，用于支撐患者的頭部。頭盔內(nèi)部還配置有一次性使用的袋子，用于無(wú)菌操作。軀體的后部凸起，隱藏了所有負(fù)責(zé)機(jī)器人在手術(shù)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的部件?；梢苑乐拐麄€(gè)機(jī)器人出現(xiàn)翻倒等情況。除眼見(jiàn)的這3部分外，當(dāng)然還包含了本身用于計(jì)算的大腦。另外，機(jī)器人還配備了一個(gè)手術(shù)針頭的導(dǎo)引，以及眾多用于繪制大腦活動(dòng)的嵌入式攝像頭和傳感器。手術(shù)機(jī)器人會(huì)將芯片放置在患者的顱骨下方，將電線插入大腦，但不會(huì)損壞血管和腦細(xì)胞。為了演示最新研究成果，埃隆·馬斯克還請(qǐng)來(lái)小豬“格特魯?shù)隆?、“喬伊斯”和“多蘿西”，向全世界展示了可實(shí)際運(yùn)作的腦機(jī)接口技術(shù)。此次的新設(shè)備采用了無(wú)線技術(shù)，通過(guò)芯片植入的方式將設(shè)備完全植入腦中。僅硬幣大小的芯片帶有密集的微型線路，置于頭骨下方。2個(gè)月前，小豬“格特魯?shù)隆北恢踩胗缮窠?jīng)連接開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，用于記錄從大腦區(qū)域到鼻子的信號(hào)。被植入系統(tǒng)后，它的狀態(tài)良好，活蹦亂跳。在測(cè)試中，當(dāng)這只小豬在舞臺(tái)上圍著一支筆嗅來(lái)嗅去時(shí)，腦機(jī)接口設(shè)備會(huì)獲取神經(jīng)元發(fā)射的信號(hào)，在顯示屏上呈現(xiàn)點(diǎn)狀圖像并發(fā)出聲音，這顯示它的大腦信號(hào)已被實(shí)時(shí)采集。

與小豬“格特魯?shù)隆辈煌岸嗵}西”先植入神經(jīng)連接設(shè)備后又被取出，而“喬伊斯”則沒(méi)有植入設(shè)備。測(cè)試證明，“多蘿西”與“喬伊斯”等其他正常的小豬沒(méi)什么兩樣，仍然可以健康地存活。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檎f(shuō)不準(zhǔn)哪一天做過(guò)植入手術(shù)的患者需要取出或者“升級(jí)”腦子里的神經(jīng)連接設(shè)備。此外，埃隆·馬斯克還展示了一段小豬較早在跑步機(jī)上拍攝的視頻，該系統(tǒng)可以通過(guò)感應(yīng)小豬的大腦活動(dòng)來(lái)實(shí)時(shí)記錄豬爪的位置。

植入人腦面臨挑戰(zhàn)

目前，“侵入式”和“非侵入式”是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的兩個(gè)主要路徑。“侵入式”將腦電波檢測(cè)電極植入大腦，采集到的腦信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定，但會(huì)對(duì)人體造成創(chuàng)傷?！胺乔秩胧健蓖ㄟ^(guò)可穿戴的腦電波檢測(cè)設(shè)備獲取信號(hào)，雖然對(duì)人體無(wú)害，但是穿戴不便，信號(hào)穩(wěn)定性差、速度慢、正確率低。為了實(shí)現(xiàn)盡可能的低損傷和高效信號(hào)傳輸，埃隆·馬斯克試圖在這2條路徑之間找到最優(yōu)平衡。他表示：“利用神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)神經(jīng)連接的技術(shù)非常重要，從這些信號(hào)中收集大量數(shù)據(jù)，將教會(huì)神經(jīng)連接軟件與身體其他部位進(jìn)行交流，在輔助芯片（替代頭骨）+外骨骼或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合下，可最終實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別意識(shí)、復(fù)制一定數(shù)量的記憶以及執(zhí)行運(yùn)動(dòng)意圖?！?/p>

在發(fā)布會(huì)上，神經(jīng)連接公司還展示了更為完善的第二代設(shè)備，它可以裝進(jìn)顱骨上的一個(gè)小空腔之中。這種神經(jīng)計(jì)算機(jī)腦接口系統(tǒng)由看起來(lái)類似小型的Fitbit（可穿戴設(shè)備）表盤的芯片和約5微米厚的電線組成，體積僅僅是發(fā)絲的1/20，通過(guò)低能耗藍(lán)牙連接到智能手機(jī)并由應(yīng)用程序控制。電線上有1024個(gè)電極，呈扇形輻射。相較目前的類似產(chǎn)品，用于對(duì)抗帕金森綜合征的腦電系統(tǒng)只有10個(gè)電極。雖然神經(jīng)連接公司的此款設(shè)備尚未在人體中進(jìn)行過(guò)測(cè)試，但是2020年7月，美國(guó)食品和藥物管理局已將其指定為突破性設(shè)備，使他們能夠在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲得反饋。專家評(píng)價(jià)，神經(jīng)連接公司這次展示的新品無(wú)論在封裝、集成、植入器件的微型化程度，還是在無(wú)線傳輸?shù)裙こ淘O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面都做得很好，神經(jīng)連接手術(shù)機(jī)器人也得到了較大的改進(jìn)。

英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)教授安德魯·杰克遜指出，在這次大型發(fā)布會(huì)上，神經(jīng)連接公司主要展示了腦機(jī)接口的技術(shù)路徑方面的探索和多電極植入的工程挑戰(zhàn)方面取得的新進(jìn)展，但缺乏基本原理或技術(shù)應(yīng)用上的突破，未展示 “革命性”的內(nèi)容。由于技術(shù)和許可方面的障礙，人體測(cè)試要比豬測(cè)試?yán)щy得多。

近幾年來(lái)，腦機(jī)接口研究取得了一定成果，但在一些關(guān)鍵技術(shù)方面仍有待突破。要想早日實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，甚至產(chǎn)生科幻作品中描繪的“超級(jí)人類”以及“存儲(chǔ)和提取記憶”，還面臨諸多挑戰(zhàn)：一是人類對(duì)大腦的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，生物學(xué)領(lǐng)域的生命活動(dòng)基礎(chǔ)仍是未解之謎，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)的研究。盡管不同的腦電波大致有一個(gè)代表方向，但“讀懂”腦信號(hào)很難。如果基礎(chǔ)研究得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，那么后續(xù)的開(kāi)發(fā)就缺乏可靠基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)便無(wú)從談起。二是腦機(jī)接口技術(shù)將經(jīng)歷“腦機(jī)對(duì)接”、“腦機(jī)交互”和“腦機(jī)融合”3個(gè)發(fā)展階段，當(dāng)前正處于由第一階段向第二階段的過(guò)渡期，像傳感精度低、集成計(jì)算效率差、編解碼能力弱、互適應(yīng)手段少等主要關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍有待突破。三是十分缺乏腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)非常有限。這類技術(shù)通常先以猴子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在此基礎(chǔ)上才能對(duì)截癱患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，但是目前全球能做猴子實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)不多，只有少數(shù)能從事臨床試驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)。技術(shù)研究需要以大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，人工智能的相關(guān)研究更是如此。

至于“控腦”技術(shù)的倫理問(wèn)題，更需要規(guī)范化。使用腦機(jī)接口技術(shù)至少應(yīng)該遵循知情同意、患者自主性和必要性原則，以及遵守對(duì)本人有利、不會(huì)對(duì)他人和社會(huì)造成傷害等原則。腦機(jī)接口技術(shù)的安全風(fēng)險(xiǎn)也值得一提，例如在電極植入、信號(hào)輸入或輸出的過(guò)程中有可能對(duì)腦部造成傷害，收集和使用腦電波信息有可能涉及對(duì)個(gè)人隱私的侵犯。愛(ài)爾蘭沃特福德理工學(xué)院通信軟件和系統(tǒng)小組研究負(fù)責(zé)人薩西塔蘭·巴拉蘇布拉馬尼亞姆提醒道：“腦機(jī)接口可能讓我們更容易受到黑客的攻擊，相關(guān)信息的泄露將比我們見(jiàn)過(guò)的所有數(shù)據(jù)泄露都更為嚴(yán)重?！?/p>