腦機(jī)接口，身體邊界的消失

陶虎?鄒家俊

你身體的邊界在哪？有人說，我的皮膚劃定了我和世界的邊界。

但我們總感覺自己的邊界要再大一些，比如當(dāng)一個陌生人和你的距離小于1米時，你就會感到不適，要是只有半米，你甚至?xí)喩聿蛔栽冢藭r，你的邊界不再是你的皮膚。

再想象一個場景，你正駕駛著自己的愛車下班回家，心里想的是晚飯吃什么，時不時抬眼看看后視鏡，確保自己不會和其他車相撞?？倳心敲匆豢?，你覺得車子和自己的身體融為了一體，俗稱“人車合一”，此時你的邊界又?jǐn)U展到了整個車子。

上述邊界的拓展多是先天或被動的，那我們有可能主動拓展自己身體的邊界嗎？當(dāng)然可以。

腦機(jī)接口就是這樣一種能拓展你物理邊界和精神邊界的技術(shù)。修復(fù)退化的感官，延展四肢觸達(dá)的空間，甚至讓電影《阿凡達(dá)》中描繪的情境成真，這些都是腦機(jī)接口已經(jīng)或正在實現(xiàn)的事。

邊界修復(fù)

重建神經(jīng)連接我們對世界的認(rèn)知來自大腦，即我們的神經(jīng)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)和其他所有身體系統(tǒng)最大的不一樣是：它具有可塑性。

什么是可塑性？舉個最簡單的例子，小朋友在學(xué)會說話前后，他們的大腦就發(fā)生了可塑性變化。將 “可塑性”換成腦科學(xué)的術(shù)語：“Fire together，wire together”。

短短的一個詞卻幾乎包含著人類世界全部的智慧。讓我們將上面那句英文表達(dá)展開說說。大腦由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成，后者主要起支持作用，前者才是信息傳遞的主要載體。神經(jīng)元的長相很特別，它們有很多觸角，幫助它們和周圍其他的神經(jīng)元建立連接，在連接處，信息通過電信號傳遞。于是，“Fire together，wire together”就可以這樣來理解：當(dāng)神經(jīng)元A持續(xù)并重復(fù)地參與誘發(fā)神經(jīng)元B的活動，A和B之間的連接就會被強(qiáng)化。上述表達(dá)有兩個關(guān)鍵點：一是重復(fù)，也就是多次發(fā)生；二是要有時間上的先后，即A的活動要發(fā)生在B前面。

那么神經(jīng)可塑性和腦機(jī)接口又有什么關(guān)系？關(guān)系太大了，我們可以借助腦機(jī)接口來重塑神經(jīng)系統(tǒng)。舉個例子，很多癱瘓病人大腦中的“指令”神經(jīng)元和分布在四肢的運動神經(jīng)元間的連接被切斷了。這時，我們可以在病人頭上放置電極，實時記錄他腦中正在發(fā)生的活動。同時，要求病人做運動想象，想象自己要抬起手或腳，一旦監(jiān)測到這些“想象信號”，立刻刺激信號所對應(yīng)的肢體，從而模擬肢體接收到了大腦的指令，并行動起來。只要保證每一次指令發(fā)生后都有相應(yīng)的行動，重復(fù)足夠多次，我們就有希望重建癱瘓病人的神經(jīng)連接。

在探索大腦奧秘的前沿領(lǐng)域，科學(xué)家正致力于開發(fā)一種全新的技術(shù)——超聲神經(jīng)調(diào)控。這項技術(shù)利用超聲波作為非侵入性的工具，通過精確的頻率控制，直接作用于大腦的特定區(qū)域。超聲波在這一過程中扮演著類似“指揮官”的角色，引導(dǎo)神經(jīng)元的活動，實現(xiàn)對大腦功能的精細(xì)調(diào)節(jié)。超聲神經(jīng)調(diào)控的潛力巨大，它為治療一系列神經(jīng)疾病提供了新的希望。例如，它可能有助于減輕帕金森病患者的震顫癥狀，緩解慢性疼痛，甚至可能對抑郁癥的治療產(chǎn)生積極影響。未來，超聲神經(jīng)調(diào)控或許能夠成為我們調(diào)節(jié)大腦狀態(tài)的有力工具，幫助人們達(dá)到更高層次的認(rèn)知和情感平衡。這一領(lǐng)域的研究不僅對醫(yī)學(xué)具有重要意義，也可能對人類自我理解的深度和廣度產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

人工耳蝸再來看另一項更為成熟的腦機(jī)接口應(yīng)用——人工耳蝸。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就第一次提出了人工耳蝸的概念。1972年，首個商業(yè)化人工耳蝸被植入人體。截至2017年，全世界的人工耳蝸市場達(dá)到了13億美元。

很多聽障患者，他們的病灶在內(nèi)耳，也就是耳蝸，而大腦中負(fù)責(zé)解讀聲音的神經(jīng)元并未發(fā)生器質(zhì)性的病變。于是，治療這類聽障患者的思路就變成——用人工器官取代發(fā)生了病變的耳蝸。一般的人工耳蝸至少包括三個部分：聲音接收器、聲音處理器和聽皮層刺激器。聲音接收器是一個小型的麥克風(fēng)，在接收聲音后，需要由聲音處理器將聲波轉(zhuǎn)換成神經(jīng)系統(tǒng)更為熟悉的電信號，最后再通過植入耳后皮膚下的刺激器刺激聽覺皮層，至此，聲音重新被大腦感知到。

對癱瘓和聽障患者來說，腦機(jī)接口技術(shù)幫助他們重新找回了身體的邊界。

用舌頭看清世界“我看見了美麗的景色”，這是一句普通的表達(dá)；“我嘗到了美麗的景色”，這就變成了一句運用通感修辭的句子。通感，在腦科學(xué)領(lǐng)域又被稱作聯(lián)覺，這是一種真實存在的現(xiàn)象，即一個感官的刺激引發(fā)了另一個感官的感覺或體驗。

聽覺、視覺、嗅覺和觸覺，這些常見的感覺往往對應(yīng)大腦皮層中特定的區(qū)域。一般來說，看到絢麗色彩的那一刻，視覺皮層會“歡呼雀躍”起來，而聽皮層和嗅皮層等不會有什么反應(yīng)。但如果在某一瞬間，絢麗的色彩讓你的聽皮層也開始“閃爍”，那么你將會感到顏色變得悅耳動聽起來，在那一刻，聯(lián)覺發(fā)生了。

現(xiàn)在，借助腦機(jī)接口技術(shù)，人類可以隨時隨地創(chuàng)造聯(lián)覺體驗，比如，用舌頭看到這個世界。

事實上，美國已經(jīng)有醫(yī)療器械公司推出了成熟的腦機(jī)接口產(chǎn)品，幫助盲人用舌頭“重見光明”。這類產(chǎn)品再一次借助了神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性：在你的眼前架上一個特殊的眼鏡，用來捕捉大千世界的影像，它能“讀”出外界圖像的大小、深度和角度等信息，這些信息經(jīng)過一個信號轉(zhuǎn)換器，變成電信號，再借助另一個設(shè)備將電信號導(dǎo)向放在舌頭上的電極，多次重復(fù)上述步驟，你大體上就能“嘗”出世界的樣子了。

對大多數(shù)盲人來說，他們的視覺皮層一直都在，只是鮮少有從視網(wǎng)膜投射過來的視覺信號。將連接眼鏡的電極放在他們的舌頭上，舌頭對應(yīng)的感覺皮層就會密集地接收到神經(jīng)電信號，而視覺皮層和舌頭對應(yīng)的感覺皮層又離得不遠(yuǎn)，“看著”感覺皮層噼里啪啦地放電，總有一些時刻，視覺皮層也會“耐不住性子”地參與其中。于是，一個奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了，盲人的舌頭接收到了電刺激，視覺皮層卻對此做出了反應(yīng)。至此，感覺皮層徹底“侵占”視覺皮層的地盤，更有意思的是，視皮層牢記自己的身份——在大腦中建立對外界圖像的認(rèn)知。也就是說，借助腦機(jī)接口技術(shù)，盲人朋友們成功地拓展了自己舌頭的邊界。

邊界拓展

第六根手指讓我們再問一次那個問題：你身體的邊界到底在哪里？

來看個經(jīng)典實驗：橡膠手錯覺。實驗人員讓受試者坐在桌前，一只手放在桌上，另一只手放在桌下（最好是受試者目光正前方看不到的位置）。同時，再將一個逼真的橡膠假手放在桌上，重點是要反復(fù)調(diào)整假手的位置，使其看起來就像是受試者那只放在桌下的手正放在桌上。緊跟著，實驗人員用毛刷同時撫摸真手和假手。

現(xiàn)在想象你自己就是受試者，你覺得你能分清自己的真手和假手么？“這我還能分不清么？”想必這是你的第一反應(yīng)，話別說太早，實驗繼續(xù)進(jìn)行。

在受試者走神的瞬間，實驗人員掏出了一把碩大的榔頭，猛地砸向假手。每當(dāng)這時，受試者們都會驚恐異常。榔頭砸下后，有些受試者甚至說自己產(chǎn)生了明顯的痛感，不管這些人事后做何解釋，他們的恐懼神經(jīng)元和痛覺神經(jīng)元不會說謊，它們在榔頭砸下前后涌起了劇烈的反應(yīng)。

也就是說，在那一瞬間，假手也被納入了身體的邊界內(nèi)。

類似的，我們還可以借助腦機(jī)接口控制外骨骼。倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家給受試者準(zhǔn)備了一根機(jī)械手指，固定在小拇指旁邊，接著讓受試者學(xué)著用腳來控制這根手指，他們大腳趾摳地的力會被轉(zhuǎn)化成這第六根手指張開和閉合的動作。神經(jīng)系統(tǒng)最“怕”重復(fù)，連續(xù)訓(xùn)練5天后，大多數(shù)受試者就能熟練地使用這根多出來的手指，一些人甚至能完成單手開瓶蓋，單手打撲克牌的動作，更有人實現(xiàn)了六根手指彈吉他的壯舉。顯然，這多出來的一根沒血沒肉的手指，也被納入了身體的邊界。

世界杯上的鋼鐵俠前文中我們討論的幾乎都是單向地給大腦輸入指令或感覺，這是廣義的腦機(jī)接口技術(shù)的最后一環(huán)。更多時候，科學(xué)家需要先拿到高質(zhì)量的腦電信號，再對其進(jìn)行解碼，最后根據(jù)解碼的結(jié)果將人工生成的反饋傳回大腦，由此才形成了腦機(jī)接口一個完整的閉環(huán)。

2014年世界杯落戶巴西，巴西裔腦機(jī)接口專家米格爾 · 尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）誓讓家門口的盛會青史留名。在這屆世界杯開幕式上，29歲的巴西青年朱利亞諾 · 平托（Juliano Pinto）時隔6年再一次感受到了踢足球的快樂。而這一次，平托穿上了厚重的外骨骼，成為現(xiàn)實版的鋼鐵俠。

先說第一個環(huán)節(jié)——腦電采集和解碼，借助放在頭皮表面的電極，實驗員能實時監(jiān)測平托的腦電活動，這些腦電活動包含著紛繁冗雜的想法和意志。為了讓腦電信號和運動想象一一對應(yīng)，平托完成了成千上萬次的訓(xùn)練，努力想象著那幾個動作，千萬別小看“想象”二字，為了捕捉到“純凈”的腦電信號，平托在想象每個動作時必須心無雜念，也許在想象抬腳動作時，思緒飄飛到馬拉多納（Maradona）的慶祝動作上，就會讓這次腦電信號采集功虧一簣。

接下來，進(jìn)入到下一個環(huán)節(jié)——外骨骼控制與感覺反饋。首先將腦電信號轉(zhuǎn)換成清晰的運動指令，指揮外骨骼牽引癱瘓的肢體完成動作。在那之后，平托需要反饋。反饋無比重要，大腦最開始給出的指令不一定精確，需要實時調(diào)整，而調(diào)整就來自反饋，也就是說，每一個動作的完成都需要大腦與外周感覺神經(jīng)的多次交互?；氐狡酵猩砩?，開幕式當(dāng)天綠茵場上草皮的觸感，外界的溫濕度和最重要的對球的觸感，都需要借助外骨骼上附著的傳感器傳回給平托的大腦。借助外骨骼，平托成功地拓展了自己身體的邊界。

現(xiàn)實版“阿凡達(dá)”到這里，我們對腦機(jī)接口的討論都局限在自己身體的周圍，且操控的機(jī)械也相對簡單。那我們能否像電影《阿凡達(dá)》那樣躺在家中，操控千里之外的復(fù)雜身體呢？這個構(gòu)想，米格爾教授用一只名叫伊多亞的猴子實現(xiàn)了。

作為一只猴子，伊多亞更習(xí)慣四足行走，但如果把它放在跑步機(jī)上，并在它每次直立行走后都給它捧上好吃的水果，那兩足行走也完全可以接受。重點來了，在伊多亞行走時，米格爾團(tuán)隊記錄了它皮層中幾百個神經(jīng)元的電活動，然后他們對這些電活動進(jìn)行解碼，即找到這些神經(jīng)元不同的放電模式和行走動作之間的相關(guān)性，一旦強(qiáng)相關(guān)性被找到，我們就可以借助腦電信號來預(yù)測伊多亞的動作。

上述實驗，只要猴子配合，全世界大多數(shù)電生理實驗室都可以完成。米格爾教授顯然不滿足于此，他想讓伊多亞完成一組更具科幻感的動作——用它的皮層腦電控制千里之外一個機(jī)器人的運動。

實驗開始，伊多亞又一次站上了跑步機(jī)，它的右臀、膝蓋和腳踝部位都被涂上了熒光顏料，當(dāng)它移動下肢開始行走時，天花板上的攝影機(jī)能捕捉到熒光顏料反射的光。借助這套設(shè)備，伊多亞腿部的每一個細(xì)微動作都會被準(zhǔn)確地記錄下來，且能被定量描述，再利用線性回歸方程，成百上千個皮層神經(jīng)元的放電信號就能被轉(zhuǎn)化成伊多亞腿部的三維空間位置的預(yù)測值，不斷調(diào)整線性方程的系數(shù)，使得預(yù)測值和實際值不斷逼近，最后線性方程的系數(shù)穩(wěn)定在某一個特定值，該值的確定標(biāo)志著解碼模型搭建成功。

接下來，伊多亞每一次行走前，腦子里的“意圖”都會被精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為運動指令，并被傳輸給大洋彼岸的另一個機(jī)器人。

這里岔開一句，雖然每次伊多亞完成的都是同樣的行走動作，但每一次實驗的模型都需要調(diào)整，甚至重新訓(xùn)練。這是由于神經(jīng)系統(tǒng)具有簡并性，即在大腦中，任何動作或念頭的表征，都有遠(yuǎn)不止一套的“神經(jīng)元解決方案”。也就是說，即便是完全一致的動作和環(huán)境，伊多亞都可能會動用另一套不同的神經(jīng)元來完成。

回到實驗，機(jī)器人的運動畫面會被傳回到伊多亞面前的顯示屏上，它腦子里剛一動邁左腿的念頭，機(jī)器人就會分毫不差地抬起左腿。更神奇的是，借助高速電纜，從伊多亞起心動念到看到機(jī)器人開始動作的時間間隔，甚至小于伊多亞控制自己抬腿所需的時間，也許在伊多亞看來，那條機(jī)器人的腿比它自己的腿更“聽話”。

為了進(jìn)一步驗證伊多亞是否意識到了自己擁有“阿凡達(dá)”般的超能力，米格爾團(tuán)隊將它腳下的跑步機(jī)關(guān)停了，緊跟著，激動人心的時刻出現(xiàn)了，機(jī)器人的腿沒有隨之停下，而是繼續(xù)平穩(wěn)地行走著，這意味著，伊多亞正主動地用自己的腦電控制著遠(yuǎn)方的鋼鐵之軀。用米格爾的話說，這是“機(jī)器人邁出的一小步，靈長類邁出的一大步”。

如此看來，我們身體的邊界完全可以拓展到任意電信號能觸達(dá)的地方。

精神邊界的拓展

物理的邊界終歸是有形的，有形就意味著有邊界，但人類的精神世界可以無限大，在擴(kuò)展精神世界方面，腦機(jī)接口技術(shù)正在讓更科幻的場景成真。

想必你一定有過這樣的體驗：一個陽光和煦的午后，你拿起一本小說讀了起來，再一抬頭，天黑了，對，就是那種時間悄然溜走的感覺。腦科學(xué)家為這種心無旁騖的狀態(tài)起了個好聽的名字——心流。

心流是一種美好的狀態(tài)，同時更是一種做事效率極高的狀態(tài)，我們能否主動創(chuàng)造它呢？腦機(jī)接口正在讓這件事成真。

那些正處于心流狀態(tài)的人的腦電波介于α和θ頻段之間——8 Hz左右——我們完全可以借助外部輸入來誘發(fā)這種特征性的腦電，主動進(jìn)入心流狀態(tài)。這是一項非常前沿且極具想象力的技術(shù)。

“消耗更少的能量，傳遞更多的信息”永遠(yuǎn)是人類世界發(fā)展的主軸之一，這與腦機(jī)接口的終極圖景不謀而合：我們最想連接的不是計算機(jī)，而是人，“機(jī)”只是一個載體。因此，腦-腦接口也被提上了日程。

你肯定有過怎么都表達(dá)不清楚自己意思的時候，有時是表達(dá)技巧的問題，但更多時候，是那個意思本身只可意會，難以言傳。三體人就不會被這件事困擾，因為他們的思想是透明的，而借助腦-腦接口，我們?nèi)祟愐灿邢ＭM(jìn)入那個信息溝通效率極大提升、誤解和尷尬都不復(fù)存在的世界?？茖W(xué)家在這件事上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，比如2018年，華盛頓大學(xué)的幾名研究者成功讓三名受試者在僅靠腦電交流的情況下默契地玩起了俄羅斯方塊游戲。

更進(jìn)一步，腦-腦接口可以不是實時的，如果把腦中的電活動上傳，或者儲存在U盤里，那將會徹底抹去溝通成本。更進(jìn)一步，我們甚至還可以上傳自己的意識，讓自己在數(shù)字層面實現(xiàn)永生，到那時，個體的物理邊界和精神邊界將被徹底打破。

回到電極

讓我們暫時收束想象力，重新將目光聚焦到器件和腦組織接觸的第一界面上——神經(jīng)電極。它既是各種刺激的發(fā)起點，更是腦電信號獲取的起點，因此，說電極是腦機(jī)接口的鑰匙一點也不為過。然而，這把鑰匙的材質(zhì)選擇，卻關(guān)乎著整個系統(tǒng)的安全與效能。傳統(tǒng)的金屬電極雖然在短期內(nèi)能夠完成任務(wù)，但長期來看，它一定會傷害到脆弱的腦組織，從而引發(fā)身體的炎癥反應(yīng)。這就像是在精密的鐘表中放入了一塊粗糙的石子，不僅影響鐘表的運轉(zhuǎn)，還可能造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

有人說，進(jìn)化論是這個地球上最為靠譜的成功學(xué)，接觸生物組織還要靠生物材料，這是腦虎科技開發(fā)蠶絲蛋白電極的發(fā)心。蠶絲，這種古老的材料，不僅承載著千年的文化，更以其獨特的生物相容性和機(jī)械性能，成為開啟腦機(jī)接口的絕佳“鑰匙”。

蠶絲蛋白能夠在腦內(nèi)長期穩(wěn)定存在而不引起免疫反應(yīng)。更重要的是，蠶絲蛋白具有可控的降解性，這意味著它能夠在完成使命后，逐漸被身體吸收，不留任何痕跡。除了良好的生物相容性，蠶絲蛋白的力學(xué)性能更是優(yōu)異。在實際應(yīng)用中，蠶絲蛋白電極的植入過程非常溫和，這能夠減少對血管的損傷，降低出血風(fēng)險。同時，其柔軟的質(zhì)地也減少了對腦組織的切割傷害。

最后的話

腦機(jī)接口技術(shù)的飛速發(fā)展，讓我們看到了一個充滿無限可能的新時代。腦機(jī)接口不僅拓展了我們的身體能力，更深化了我們對精神世界的理解。面對這一歷史性的機(jī)遇，我們應(yīng)保持謙遜與敬畏之心，謹(jǐn)慎前行，也希望我們能共同見證腦機(jī)接口為人類世界開啟的美好未來。

本文根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會主辦的“ 海上科普論壇” 上的報告撰寫而成