把電線通進腦子里的先驅(qū)，總是要得諾貝爾獎的

吳建永

黑科技還是商業(yè)噱頭？

外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，腦機接口也不能免俗。

很多其他行業(yè)的人認為腦機接口絕對是黑科技，神秘得像科幻電影;業(yè)內(nèi)人士則經(jīng)常抱怨新聞太商業(yè)化，噱頭多于科學進展。碰到這類討論最好的辦法是笑而不語，用故事讓聽眾進入場景，自己產(chǎn)生答案。

第一個故事是測量人腦電活動的先驅(qū)，德國醫(yī)生漢斯·伯格。那是在1924年， 測量人腦的電信號還是不被主流科學認可的“民科”。伯格不得不背著人，躲在地下室里偷偷研究。當時最大的問題是電子儀器還沒有出現(xiàn)，沒有辦法放大僅有手機電池電量萬分之一的微弱信號。

伯格試了好幾種方法把腦電信號顯示出來，比如用當時最敏感的懸絲檢流計（即用蠶絲在磁場中懸起一個小線圈，靠電流對線圈產(chǎn)生的微小磁力去偏轉(zhuǎn)一個小鏡子來移動光點，由大名鼎鼎的開爾勛爵發(fā)明），這樣就可以用電影膠片把光點的移動記錄下來了。這一技術(shù)在當時確實是黑屋子里的黑科技。可惜從頭皮外測量到的腦電信號實在太微弱了，伯格想了很多辦法，最終還是失敗了。

幸運的是，伯格后來遇到一位半個頭骨缺失的一戰(zhàn)傷兵。今天我們知道，隔著頭骨測腦電信號就像隔著毛玻璃窗拍照片，效果大打折扣。而頭骨缺失讓腦電信號加強了很多，這使伯格堅定了人的腦電波確實存在的信心。之后他不斷改進技術(shù)，終于在正常人的頭皮外面測量到了腦電波。

回溯神經(jīng)科學的發(fā)展歷史就可以看出，把電線通進腦子里的先驅(qū)，都是要得諾貝爾獎的?？上h斯·伯格卻沒能熬過第二次世界大戰(zhàn)，在去世前只得到了數(shù)年的諾貝爾獎提名。

今天，我們用幾毛錢就能買到一片把腦電波放大千倍的芯片，輕易地把漢斯·伯格的實驗演示在小學生的課堂上。這種演示常有轟動的效果，比如睜眼、閉眼時的腦電信號很不一樣，體驗者通常會非常驚訝。

那么，1924年的科學到今天還是黑科技嗎？答案是肯定的?？茖W發(fā)現(xiàn)永遠能在適當?shù)臅r候變成先進的技術(shù)。面對浩瀚的文獻海洋，這里舉兩個有新聞效應(yīng)的例子：

第一個例子是2014年，腦機接口的先驅(qū)米高·尼克雷拉斯為了宣傳腦機接口，成功地利用腦電信號指揮機械外骨骼，讓一位癱瘓的人給FIFA 世界杯足球賽開球。

第二個例子是2015年，清華大學的腦機接口團隊用腦電波驅(qū)動鍵盤打字，達到了每分鐘60個字母的速度。之后，在2019年的世界機器人大賽上又刷新了世界紀錄，達到每分鐘打字145個。能用腦電波打字，就能讓完全喪失語言能力的人基本正常地與他人交流。這確實是技術(shù)為殘障人士帶來的福音。

利用腦電信號的腦機接口是不用開刀的非入侵技術(shù)，因此門檻很低，健康人也可以使用。此迷人的魅力吸引了無數(shù)業(yè)外人士和IT 界的創(chuàng)業(yè)者。

入侵和非入侵技術(shù)哪家強？

既然從頭皮外記錄腦電波的非入侵腦機接口那么強，為什么業(yè)內(nèi)人士卻多在研究一種需要手術(shù)開顱的入侵式腦機接口技術(shù)呢？這是因為非入侵腦電技術(shù)有其不可逾越的極限。

前面提過，隔著頭骨頭皮測量腦電，就像隔著毛玻璃照相，再貴的照相機也發(fā)揮不出自己的優(yōu)越性。頭皮外測到的腦電只能攜帶非常有限的信息。

用一個比喻來解釋神經(jīng)信號測量技術(shù)：大腦像一座城市，神經(jīng)細胞像市民，大腦中的信號處理則像市民之間嘰嘰喳喳地聊天，腦機接口就像記者用麥克風采訪市民，了解城市里的新聞。測量腦電波就像隔著厚厚的墻進行采訪，只能聽見人聲鼎沸，卻聽不清每個人在說什么。

神經(jīng)細胞很小，隔著幾厘米厚的頭骨和頭皮測量神經(jīng)細胞的活動，就像用直升機從天上采訪地面的人，那你能聽到什么呢？你只能聽到人群一起大喊。就像在體育場的上空，只能聽到球迷在贏球時候的瘋狂大喊，據(jù)此來判斷比賽情況。

因此，測量腦電波只能測到大批神經(jīng)細胞同步活動的信號，而不能測量到單個神經(jīng)細胞具體的活動。因此要想了解單個神經(jīng)細胞的具體活動，就需要深入到人群中，把麥克風送到每個市民的口邊。這就是入侵式腦機接口的基本原理，打開腦殼，把微小的電極放到神經(jīng)細胞之間去測量。

做過新聞采訪的人都知道，采訪一個新聞要聽許多人講話消息才精確。腦機接口也一樣，要幾百、幾千個電極一起測量，才能從腦子里導(dǎo)出比較大的信息量。

不久前，埃隆·馬斯克發(fā)明了腦機接口的“縫紉機” 技術(shù)，每縫一針就往大腦皮層里植入幾十個微小的電極，這樣幾十分鐘就能植入3000多個電極。3000多個 “麥克風”一起聽，就有可能更精確地解碼大腦內(nèi)的思想活動。用業(yè)內(nèi)行話說，就是入侵式技術(shù)信息傳輸量大。這種高信息傳輸速度是非入侵腦電技術(shù)永遠無法達到的。

2021年5月，《自然》雜志刊登了一篇入侵式腦機接口的文章，瞬間引爆新聞。講的是在一位高位截癱的患者腦中植入100多個微電極，使他能實現(xiàn)每分鐘手寫90個字符，這速度已經(jīng)和平常人用手打字的速度差不多了。

粗看起來，這個每分鐘90字符的寫字速度還趕不上清華大學團隊用腦電波驅(qū)動鍵盤打字的145字世界紀錄，那為什么有新聞轟動呢？因為這里有業(yè)內(nèi)的秘密。一種說法是清華大學團隊使用的技術(shù)需要全身心的投入，而入侵式技術(shù)解放了眼睛。

具體地說，清華大學團隊使用的技術(shù)是用眼睛緊緊地盯著屏幕上的40個方格中的1個，每個格里面有1個字符，各個格子按照不同的頻率閃光，當你盯住那個字符，你的腦電波就會和那個格子閃光的頻率一樣。這樣，測量你腦電的頻率，就知道你想打哪個格子里的字。這方法雖然簡單有效，但是把眼睛牢牢拴住了，目光一漂移，打字就會立刻出錯。

而入侵式腦內(nèi)微電極測量的是大腦皮層運動區(qū)的神經(jīng)命令。寫字時手腕、手指、手臂等處的多條肌肉精確地協(xié)調(diào)運動，需要在大腦皮層的運動區(qū)同樣有一大群神經(jīng)細胞高度精確地協(xié)調(diào)活動。

運動皮層的指令是非常明顯和確定的（想象一下每個人不同時間簽名的字體都是高度一致的）。這種明顯而確定的運動指令重復(fù)多次就可以被計算機學會，解析出什么樣的神經(jīng)活動對應(yīng)了寫什么字。用想象的方式來寫字不需要使用眼睛，也不用思想指揮具體的比畫（肌肉記憶），解放了眼睛和思想，轟動一下是完全可以理解的。這項工作更重要的意義是可以遵循同樣的套路解析大腦的其他運動指令，比如坐起、走路、跳舞，最終讓癱瘓患者真的能夠自主行動起來。

微電極技術(shù)的崛起

那么，往大腦皮層里插微電極是馬斯克發(fā)明的黑科技嗎？簡單的回答是：不是，但他確實做出了很大的貢獻。評價馬斯克的貢獻需要了解一點微電極的原理，以及科學原始發(fā)明與資本跟進的關(guān)系。

測量單個神經(jīng)細胞信號的電極，尺寸需要很小，所以叫微電極。神經(jīng)細胞的大小只有芝麻粒的1/10，所以電極的尺寸也要很小。這有點兒像在鬧市中采訪一個人，麥克風要小，也要足夠靠近。如果人身邊的麥克風像公交汽車那么大，那么人聲就會淹沒在周圍的噪聲之中。

電極就像電線，需要有導(dǎo)電的內(nèi)芯和絕緣的外殼，這樣才能把電極尖端檢測到的神經(jīng)信號傳導(dǎo)到外面的腦機接口上。怎樣做出只有頭發(fā)絲1/50這么細的電線，還要加上絕緣外殼呢？

業(yè)內(nèi)很多人認為發(fā)明微電極技術(shù)的關(guān)鍵人物是一位年輕的中國留學生——楊振寧的好友凌寧。他的技術(shù)是把一根細玻璃管在火焰上燒熔，然后用力一拉，讓熔化的玻璃就像拔絲山藥上的糖稀一樣，先拉成一根細絲，然后絲被拉斷。仔細地調(diào)整火焰的溫度和手上的拉力，就可以讓玻璃細絲的斷口保持規(guī)則。這樣，拉成細絲的玻璃管壁就是良好的絕緣外殼，而充入管內(nèi)的鹽溶液可以導(dǎo)電，整體就成為一根開口直徑不到1微米的微型電線，可以把測量到的神經(jīng)信號導(dǎo)出來。

凌寧和他導(dǎo)師的這項發(fā)明幫助了幾位諾貝爾獎獲得者，奠定了神經(jīng)科學中幾個里程碑式的工作。當然，他們也各自獲得了諾貝爾獎的提名。

凌寧的玻璃微電極技術(shù)并非他的首創(chuàng)，而是傳承了前輩多年的技術(shù)?；厮莸綆装倌昵埃?7世紀60年代），科學家羅伯特·博勒就闡述過用玻璃拉絲制備精巧刀具的方法。那個年代，這種比頭發(fā)絲還細的玻璃絲確實是黑科技，連細胞生物學的鼻祖羅伯特·胡克都使用并發(fā)展過這類玻璃技術(shù)。

之后的幾百年，科學家一直用玻璃絲做微小尺度下的針、鉤子、刀、管子等工具。到了1920年，微小的玻璃管口已經(jīng)小到可以從水中抓取單個細菌。

值得一提的是巧手科學家艾伯特·巴博，用一簇小小的煤氣火苗拉制玻璃微工具，手藝發(fā)展到了極致。他的工具幫助了好幾位諾貝爾獎得主的原創(chuàng)工作。凌寧的微電極技術(shù)也得益于巴博開發(fā)的手工藝。如今，巴博的巧手已經(jīng)完全被機器代替，精確的溫度調(diào)整和拉力控制技術(shù)也完全存儲在計算機里，一個剛?cè)腴T的學生也可以比巴博還準確地拉出幾百個一模一樣的微電極。

微電極的技術(shù)必須和電子放大器結(jié)合才能有用。歷史學家發(fā)現(xiàn)其實直徑小到4微米的玻璃微電極在20世紀20年代已經(jīng)發(fā)明，但當時沒有信號放大器，微電極沒法發(fā)揮威力，逐漸被科學界遺忘。直到第二次世界大戰(zhàn)之后，電子放大器普及，才讓凌寧的電極一下子風靡神經(jīng)科學領(lǐng)域，甚至催生了一門叫“電生理”（Electophysiology）的新學科領(lǐng)域。

用玻璃微電極研究大腦皮層內(nèi)的神經(jīng)活動碰到了一個不大不小的技術(shù)障礙：玻璃太脆了，不能穿過保護大腦皮層的硬腦膜。這個技術(shù)障礙促成了另一項發(fā)明，這就是鎢微電極。鎢合金是造坦克用的，比鋼還硬，穿過硬腦膜完全沒問題。但是，怎樣把這么硬的金屬做成微米尺度的微電極呢？

鎢微電極進入大腦

聰明的發(fā)明一般都很簡單，秘密說出來就像窗戶紙一捅就破。方法就是把鎢絲放在鹽水里再通上電。電流會剝奪金屬晶格里的電子，一旦金屬晶格被破壞，堅硬的鎢就會像糖塊一樣在鹽水里溶化。

一根金屬絲，尖端與溶液是三維接觸，而尖端之外的其他表面只與溶液兩維接觸，因此，尖端被電流溶解的速度比其他部分更快，一根鎢絲在通電時自然就形成了一個尖端。一般讓尖端達到頭發(fā)絲直徑的1/50時，電極就很好用了。做好的細針還要穿上絕緣外衣，并且在其尖端留下1微米左右的金屬，用于和腦組織接觸，以聆聽神經(jīng)細胞的對話。

技術(shù)秘密說來簡單，但還是需要科學家里那些愛動手的人，著了迷一樣地日夜摸索。戴維·休博就是這樣一個科學家。他學習了幾位前輩制作鎢微電極的技巧，并把技術(shù)優(yōu)化到實用水平。玩這些雖然看起來不像科學家而更像手工藝人，但足以讓他在學界頂級期刊《科學》上發(fā)表一篇文章，專門闡述鎢微電極，比如尖端多大，角度多少，是尖還是鈍，怎樣涂漆可以暴露尖端等。

工欲善其事，必先利其器。休博的鎢微電極尖端與大腦皮層神經(jīng)細胞的大小正好配合，能完美地記錄到神經(jīng)細胞的放電信號。他與同事利用此技術(shù)攻進大腦，研究了動物大腦皮層對眼睛看到影像的反應(yīng)，留下了劃時代的經(jīng)典成果。眼睛是心靈的窗戶，他們在視覺皮層的工作啟迪了之后幾代人對大腦皮層的研究。幾年后，休博與同事共同獲得了諾貝爾獎。

打個比方，通過一個微電極來研究大腦皮層的工作原理，就相當于通過對電視屏上的一個像素的觀察來猜測劇情，這當然是不可能完成的任務(wù)。當微電極達到能成功地記錄大腦中神經(jīng)細胞的活動時，下一步的需求就是能同時記錄盡可能多的神經(jīng)細胞活動。

微電極從一到多

大腦皮層活動時經(jīng)常有幾十億個神經(jīng)細胞同時參與，所以腦機接口有幾百、幾千，甚至幾十萬個微電極都不算多。目前的腦機接口技術(shù)已經(jīng)可以使用幾百到幾千個電極了。

那么，怎樣能制造并同時應(yīng)用這么多個微電極呢？神經(jīng)科學家想到了蓬勃發(fā)展的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)。

所謂集成電路，就是在一塊硅片上畫出很多條電路，把大量晶體管器件聯(lián)系起來。用同樣的技術(shù)，也可以做成很多與神經(jīng)細胞接觸的電極表面和電極引線。

在硅片上形成電極森林，有點兒像雨水腐蝕石灰?guī)r地面后形成的石林地貌。把硅片放在強酸中腐蝕，并遮擋那些需要形成電極的地方，就能按需要形成橫看成嶺側(cè)成峰的電極陣列。

這種用硅片制造的微電極陣列也叫“猶他電極陣”，是目前已經(jīng)批準可以在患者身上使用的微電極陣列。前面文中提到的能讓高位截癱患者每分鐘手寫90個字符的腦機接口，用的就是這種電極陣列。

早期的猶他電極陣只有100個電極（10x10），后來通過改進，硅片上電極的數(shù)量增加到了原有數(shù)量的10倍。改進原理也很簡單，人們早已掌握了在硅片上畫電線的技巧。如果在每根電極桿上畫10條電線和10個電極表面，就能在有100根電極桿（10x10）的猶他陣列上，造出1000個（10x10x10）能夠聆聽神經(jīng)信號的小麥克風。

腦組織像豆腐一樣軟軟的，而且在日?；顒又袝?jīng)常變形或移動。堅硬的微電極，無論是玻璃、鎢還是硅材質(zhì)，都不能隨腦組織移動。這種堅硬材質(zhì)的電極和腦組織之間的相互運動，會對腦組織造成損傷，就像筷子攪和了綠豆粥。

從硬到軟，跨進一大步

相互運動造成圍繞電極的微損傷，會引發(fā)大腦局部炎癥和類似瘢痕的膠質(zhì)細胞增生。膠質(zhì)細胞增生會擋在電極和神經(jīng)細胞之間，讓腦電信號逐漸減弱，就像在麥克風與講話的人之間擋上一層棉被。

信號減弱問題是限制猶他電極陣廣泛應(yīng)用的主要原因——裝電極陣是個對患者有潛在危險的開顱手術(shù)，誰也不愿意剛裝上電極幾個月或幾年后，電極就逐漸失效了。

把電極桿變軟就可以讓電極像海草一樣隨腦組織的位移而波動，大大減少圍電極微損傷。但把柔軟的電極插進腦組織有很大困難，想象一下，怎樣能把一根柔軟的繩子垂直插進泥潭里呢？

這時，馬斯克出場，解決了這個柔軟電極的世界難題。

他的辦法就是“縫紉機”——用堅硬的鎢針把柔軟的電極帶進腦組織，然后把針拔出，讓柔軟的電極留在腦組織中。目前還不知道這個聰明的想法是否來自馬斯克本人，雖然他也是非常聰明的發(fā)明家。

馬斯克擁有巨大的財富，是催生這項技術(shù)的重要因素。

我們都說科學技術(shù)的進步源于科學家腦中的靈光一閃，但這種靈光一閃出現(xiàn)得太多了，像夏天叢林中的螢火蟲，遠遠近近，此起彼伏。

如果沒有強大的資本跟進，絕大多數(shù)閃光只能自生自滅，或者在幾十年后被重新發(fā)明。馬斯克不可替代的作用是利用資本將發(fā)明的過程大大加速了。

2016年，馬斯克大手筆投入1億美元創(chuàng)建了Neurolink 神經(jīng)科學公司。兩年后，公司宣稱發(fā)明了一項黑科技，這就是能與神經(jīng)組織和平共處的軟電極和能把繩子插進泥潭的縫紉機。

大腦皮層上的縫紉機

縫紉機可以被認為是一種自動植入軟電極的機器人?？p紉機針是頭發(fā)絲直徑的鎢合金針，其尖端可以輕易插進腦組織。旁邊有幾個照相機負責監(jiān)測，自動避開大腦表面的血管，使植入電極的過程變得很安全，很少有出血的情況。

能與神經(jīng)組織和平共處的軟電極是用塑料薄膜做的——在聚酰亞胺塑料薄膜上，用制造芯片的光刻技術(shù)，畫上細小的圖案，再鍍上導(dǎo)電的聚合物或金屬薄膜，形成細電線和與腦組織接觸的電極表面?？p紉機的每一針會把這層薄膜帶下一窄條，變成一根柔軟的帶子插進腦組織。每根帶子表面是32個與神經(jīng)細胞接觸的電極。這樣一針一針，一次手術(shù)可以植入3072個柔軟電極。這是目前的世界紀錄。

未來就是最后1微米的工程了。

預(yù)測未來屬于腦洞大開式的幻想。但幻想不是亂想，也要根據(jù)此前百年神經(jīng)科學發(fā)展的歷史合理推測。筆者根據(jù)自己淺薄的知識和有限的想象力，認為腦機接口的關(guān)鍵在“最后1微米”，也就是電極和神經(jīng)細胞的接觸界面。