互动科普

诞生于上世纪80年代的“赛博朋客”（cyberpunk）科幻小说中，经常会出现所谓的“神经植入装置”——一种把人脑和电脑直接相连的东西。就像在那部由威廉·吉布森（William Gibson）的小说改编的、让人看过就忘的电影《捍卫机密》（Johnny Mnemonic）中，主演基努·里维斯（Keanu Reeves）所宣称的那样：“我往脑子里存了几百MB的文件”。

在那个区区1MB存储量都会让人艳羡不已的年代，这种刚刚浮出水面的科幻流派的高明之处就在于，他们描述的这些技术并非遥不可及，天才生物医学工程师们稍加努力便能做到。虽然当时美国麻省理工学院和加州理工学院还未能开发出此类植入装置，但杰出的科幻小说作家们还是带给了读者希望：这种技术终有一天能实现，甚至在我们的有生之年就可能见到。

在过去十年间，科幻作品中描述的那些技术，陆续成为了现实。在颅骨内植入电极后，患者就可以仅靠大脑神经信号来控制假肢。这为一项新的科学研究拉开了序幕，而这项研究的最终目的是，绕开由于肌萎性脊髓侧索硬化症（渐冻症）或中风瘫痪的肢体，让大脑的指令得到有效执行。上述例子中，神经电信号是从大脑向外界传递的。同样，科学家也在研究电信号如何反方向传递，即通过电信号刺激猴子的大脑皮层，形成反馈，能让猴子真实地感觉机器手臂在触摸的东西。

不过，在制造大脑和神经系统其他部分的替代品方面，我们又能走多远呢？除了控制电脑指针或机械手外，这项技术能否通过某种方式，让大脑中大约1,000亿个神经元成为一个“秘密数据库”，就像吉布森小说中的情节那样，用来存放偷来的工业机密或其他数据表格呢？

人会变成机器吗？

今天的好莱坞编剧和未来学家，作为最初赛博朋客传统的拙劣继承者，已经开始积极涉足神经技术。计划明年上映的影片《奇点迫近》（Singularity Is Near），就是一部根据计算机科学家雷·科兹威尔（Ray Kurzweil）的想法改编而成的纪录片。科兹威尔假设，把大脑中的内容全部数字化，并传输到计算机或机器人中。

无论是上世纪80年代英美电视节目中的著名虚拟人物超级麦克斯（Max Headroom），还是把人的思维全盘拷贝到一个最新款的人形机器人上，这些关于人类智慧发展超越身体极限的梦想，其实和勒内·笛卡尔（René Descartes）在17世纪关于精神与肉体二元论的深邃思考相去不远。然而，要把人类的思维，包括我们对旭日东升的感受、飘忽不定的思绪，以及其他构成我们意识世界的独特主观感受，全都原封不动地复制到机器里去，似乎仍停留在科幻小说家的纸上谈兵阶段。

对脑控假肢热火朝天的宣传，掩盖了我们对神经系统工作机制的认识匮乏。加州理工学院的神经科学家理查德·A·安德森（Richard A. Andersen）说：“我们对于高级认知活动的大脑回路几乎一无所知。”只有了解神经系统工作机制，我们才能把信息输入大脑，从而把“赛博朋客”中描述的种种神奇真正变成现实。

那么，大脑和机器的交互到底可以实现些什么？从第一例脑电图实验，到现在用思维控制机器手和电脑屏幕上的光标，这一进程即使达不到科兹威尔式的“奇点”，也至少可以往脑子里输一些高级认知信息，这是否一个必然的发展进程？我们真的能把一部 《战争与和平》输入大脑，或者像《黑客帝国》里那样把直升机驾驶手册“下载”到大脑中吗？能不能在当事人毫无察觉的情况下，把“See Spot run”（美国一部喜剧电影的名字，本意是看见一只叫“Spot”的小狗在跑——译者注）这句话存储到他的记忆中？仅仅存入“see”这一个词是不是更容易实现呢？

这些不完全是学术问题，风趣的人可能会调侃，还不如去买一副老花镜，用传统的阅读方法来记忆这些信息会更容易些。即使那条通向大脑皮层的通道可能永远只存在于科幻小说中，理解光子、声波、气味分子和皮肤压力转变为我们大脑中永久记忆的过程，意义也远胜于“赛博朋客”式的娱乐。认识了这些基本原理，我们就可以研制出人造神经器官，帮助那些中风患者或者阿尔茨海默病 （Alzheimer’s disease） 患者形成新的记忆。

简单的接通大脑的装置其实已经存在于成千上万人的颅骨内。耳聋患者和听力重度受损的患者会植入人工耳蜗（cochlea），把麦克风采集到的声音转化为刺激听觉神经的信号，从而产生人工听觉。这种装置被美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的神经科学家迈克尔·S·加扎尼加（Michael S. Gazzaniga）誉为人类历史上第一个成功的神经修复装置。用作人工视网膜的电极阵列也已经出现在实验室中。如果这项技术可行，它将会让人类具备夜视能力。

有些人更是雄心勃勃，计划把亚马逊网站和大脑中负责记忆形成的神经结构——海马直接相连，但所需要的技术目前还没有出现。具体的实施办法至少涉及两个方面：一是要在神经元和颅外世界之间建立一条可靠的连接，二是要有一种编译方法，能够把数字版本的《战争与和平》转换成神经元之间的“语言”。如何才能实现这些技术？或许我们能从最先进的脑机接口（brain-machine interface）研究中找到一些线索。

把文字输入大脑

把文字输入大脑需要考虑一个问题，那就是是否需要把电极插入到人体组织中，这可能会是神经植入装置实用化的一大障碍，当然残疾人除外。在近一个世纪之前，人们就知道大脑的电活动可以在不打开头颅的条件下监测到。一个看似镶嵌着电极的“泳帽”（脑电极帽），便能从瘫痪病人头部提取信号，从而实现在屏幕上打字或者浏览网页的功能。德国蒂宾根大学的尼尔斯·拜尔博默（Niels Birbaumer）是这项技术的主要研究者之一，他声称，采用颅骨外的磁信号对大脑皮层进行反复刺激，同时用电极帽记录哪些神经元被激活，就可以找到“see”和“run”这些词在大脑皮层上的位置。一旦这种映射建立起来，就可以通过控制特定区域神经元的电发放来诱发相应的记忆——至少理论上如此。

一些神经技术专家认为，如果特定的单词存在于大脑的特定位置（这一点仍有争议），那么要找到这些区域，就必须依靠比脑电极帽更加精细的记录手段。一项正在进行的有创式植入实验可能会实现这样精细的定位。神经信号公司的菲利普·R·肯尼迪（Philip R.Kennedy）和他的同事们，设计了一种可以记录神经元输出活动的装置。这种连接装置让中风患者仅通过思维活动，就可以把信号发送给电脑，由电脑翻译为元音字母，再由语音合成器发出相应声音，这是将来读出思维中完整单词的重要一步。这样的脑机接口技术最终或许也可以用来激活单个神经元。

更加精细的连接可以通过纳米纤维来实现，这些纤维直径还不到100纳米，凭借着微小尺寸和电学与机械特性方面的优势，可以很容易地接入单个神经元。美国堪萨斯州立大学的李军（Jun Li）和他的同事们研制出了一个刷状结构的装置，里面的纳米管刷毛就是刺激神经元或者接收神经信号的电极。李军预测这种刺激神经细胞的方法，可以用来治疗帕金森病或抑郁症，或者控制假肢，甚至可以在长时间的太空飞行中用于刺激相应的神经来伸缩宇航员的肌肉，以阻止失重环境中发生的不可避免的肌肉萎缩。

学习大脑的语言

把微积分教材直接输入大脑，或者在度假前把《旅游法语》存入大脑——要实现这样的梦想，可能需要更深刻地理解大脑信号如何编码语言及其他的神经信息表达方式。

破解神经系统编码是神经科学中最具挑战性的课题之一。弗洛伊德曾经说过，梦是认识“潜意识”的捷径。套用他的说法，破解神经编码也许就是开辟认识“意识”的捷径。理论科学家提出了各种想法，来解释数千亿的神经元和连接这些神经元的数万亿突触如何相互传递信息。最早的神经编码学说认为，神经元通过脉冲电位的发放率来编码信息。

尽管发放率编码方式能够轻松应对某些刺激，但是如果要回忆马塞尔·普鲁斯特（Marcel Proust，法国意识流作家，《追忆逝水年华》的作者）或理查德·费曼（Richard Feynman）的作品，在脑中回味美味的玛德琳蛋糕（一种重油小蛋糕），或者思考微分方程教材中的抽象概念的话，发放率编码就远远不够了。最新研究更专注于分析每个神经元放电之间的精确时间间隔，这被称为时间编码（temporal code）；还有些研究探讨神经群体协同发放的变化模式，这被称为群体编码（population code，参见下两页的图文框）。

在一项历经十年的努力中，人们试图制作一个人工海马组织来帮助那些有记忆缺陷的人，这项研究会帮助研究人员更加深入地了解大脑编码过程，有助于他们往大脑中下载信息的尝试。美国南加利福尼亚大学和维克森林大学正在合作进行的一个研究项目，正是为了制造这个负责记忆形成的大脑结构的人工替代品。海马组织位于大脑颞叶深部，中风或阿尔茨海默病等疾病都会对它造成持续的损害。在这种情况下，绕过该结构架设一条新的电通路，就有可能恢复患者创建新记忆的能力。这项由美国国家科学基金会（NSF）和美国国防部高等研究计划局（DARPA）共同资助的项目，最终可能会走得更远，用于增强正常人的记忆能力，或者帮助发现高级认知活动的神经编码。

美国南加利福尼亚大学的西奥多·W·伯杰（Theodore W. Berger）和维克森林大学的塞缪尔·戴德维勒（Samuel Deadwyler）各自带领的两个研究小组，目前正在准备一篇学术论文，描述人工海马如何替代大鼠原来的海马，实现记忆巩固的功能，帮助大鼠记住按压杠杆能够得到水喝。通常，海马发出的信号被传递到大脑皮层，某一次特定的经历在皮层被巩固成长期记忆。在这项实验中，研究人员通过化学药物使大鼠的海马组织暂时失去原有机能。当大鼠正确地按压了杠杆，来自感觉区及其他皮层区域的电信号被送进微芯片（输入信号）——这个微芯片会产生和海马类似的输出信号。用人工装置模仿海马输出信号的演示实验，将有助于理解神经编码。这一编码同样可以用来在运动皮层产生一个新的记忆——甚至有一天，可以用来解开大脑控制更高级行为的秘密。

如果能够成功探知“See Spot run”这句话，乃至整个技术手册的神经编码，那么至少在理论上，我们便可以把它们直接输入到海马或其他皮层组织中的电极阵列内。到那时，《黑客帝国》中的那一幕——把驾驶直升机的指令通过手机直接下载到大脑中，就会成为可能。人工海马研究者预想的场景只比这一幕稍微平淡了一些，伯杰说：“（美国国防部）通常喜欢使用能够驾驶F-15战斗机的神经编码信息。”

人工海马研究中构想的这种看似简单的神经输入模型虽然回答了一些问题，但会带来更多新问题。植入装置会不会覆盖掉我们原有的记忆？“See Spot run”这句话的编码对你、对我、对一个讲库尔德语的人来说，都一样吗？输入海马的这句话的编码，会不会和提供上下文语境的其他神经回路很好地整合在一起？“See Spot run”本来是指看到一条名叫“Spot”的小狗在跑，而在另外的语境中，这句话会不会被误解成洗衣店里的事故呢（看到衣服上的污迹流淌下来）？

一些神经科学家认为，只有超出单纯对神经元放电进行解读的层面，我们才能够真正破译大脑的语言。亨利·马克莱姆（Henry Markram）是位于洛桑的瑞士联邦理工学院神经科学与技术中心主任，他指出：“仅仅通过获取很多神经信号，努力理解它们意味着什么，并把它们与特定行为关联起来，并不能解决问题。” 一个给定的信号，在输入单个神经元或神经元群体之后，会通过各种不同路径产生特定的输出信号，例如海马组织就是通过不同的路径把感觉信息输入长期记忆存储的。“只要很多不同的神经通路依然存在，那我们离真正破解大脑的语言，就还差得很远”。

马克莱姆领导的“蓝脑计划”（Blue Brain Project）始于2005年，目标是利用巨型计算机对大脑进行仿真，尝试在分子水平上对大脑进行反向重建。建模首先从比较简单的大鼠神经组织开始，进而扩展到人类，以解开神经系统工作之谜。要实现人类神经组织的模拟，还需要一台处理能力是现有巨型计算机1,000倍的计算机。当真正的神经编码最终被揭示出来的时候，也许人们会惊讶地发现，它与我们今天教科书上讲述的完全不同。“我坚信会出现一个概念上的突破，将在人类如何认识现实的问题上产生重要影响，”马克莱姆说，“这将是一件意义深远的突破，也许正是这个问题为什么如此难以攻克的原因。”

在解决如何把信息输进大脑方面，科学家遇到了巨大的挑战，这表明在神经科学技术发展的道路上，有一个实际的、可以预见的约束边界。在大脑内部建立众多连接形成记忆，与在硬盘上通过磁化来存储数据截然不同。布朗大学的神经科学家约翰·P·多诺霍（John P. Donoghue）评论说：“存储书本内容之类的复杂信息，需要分布于神经系统很大区域内的数目庞大的脑细胞相互作用。你很难去定位所有的神经元，并让它们把正确信息存储在相互之间的联系中。因此，基于目前的知识，我认为这是不可能的。”

把信息写入大脑可能仍然只是迷失在赛博空间里的一场梦，但这并未影响多诺霍对另一个方向的乐观预期：把信息从大脑中读取出来，为重度瘫痪病人开发脑控假肢。作为这一研究项目的领军人物，他将多电极阵列植入大脑，在大脑皮层和假肢甚至轮椅之间，建立一条直接相连的通路。

多诺霍预计，在今后五年内，脑机接口技术将帮助残疾人拿起杯子喝水。在更久远的未来，这些接口系统的性能将进一步改进，可以让上部脊髓损伤的患者完成一些难以置信的任务，比如用假肢来打篮球，或者把20世纪70年代的电视剧 《无敌金刚》 （The Six Million Dollar Man）中的幻想变成现实。即使连接大脑的信息管道尚未出现，残疾人和基础研究人员仍然会受益于部分替代品。2007年，奥地利格拉茨技术大学的歌特·富茨切勒（Gert Pfurtscheller）和同事公布了一项最新研究成果：一名脊髓损伤的患者仅仅通过思维控制，就能够在虚拟环境下从街道的一端走到另一端。杜克大学的米格尔·尼可雷里斯（Miguel A. L. Nicolelis）已经开始探索与脑控假肢装置相连的猴子如何产生运动感觉意识，这种运动和触摸的感觉由电信号刺激大脑皮层产生，与肉体上的感觉输入截然不同。他说：“有生理学证据表明，在实验过程中，猴子觉得使用机械手甚至比使用自己的手更容易。”

这些研究最重要的成果或许不是神经植入装置和机械手，而是通过“蓝脑计划”或其他仿真实验，我们能够了解中枢神经系统发育的过程。这些知识可以帮助教育家找到教育孩子的最好办法，以确定应该在什么时机采用某种特定的教学技术。马克莱姆指出：“你可以开发一个促进大脑发育的教育软件，在最短的时间内帮助你获取某种知识和能力。”如果确如其言，那么神经植入装置和大脑仿真的研究将会带给我们现实的好处，它比20世纪科幻小说中把大脑当作闪存来用的幻想更有意义。