Contents 目錄

• Part 1: The Human Colossus 人類(lèi)的巨像
• Part 2: The Brain 大腦
• Part 3: Brain-Machine Interfaces 腦機(jī)接口
• Part 4: Neuralink’s Challenge Neuralink 的挑戰(zhàn)
• Part 5: The Wizard Era 巫師時(shí)代
• Part 6: The Great Merger 大融合

第三部分：腦機(jī)接口

讓我們穿越到公元前 5 萬(wàn)年，然后在那里綁架一個(gè)人，并把他帶回到 2017 年。

他叫做 Bok。Bok，我們非常感謝你和你的族人們發(fā)明了語(yǔ)言。

為了表達(dá)我們的感激，我們想向你好好展示一下，我們?cè)谀銈兊陌l(fā)明的基礎(chǔ)上所創(chuàng)造的各種好東西。

好的，我們首先帶 Bok 去坐飛機(jī)，然后去坐潛艇，接著到迪拜的哈利法塔的最頂層看看。我們給他展示望遠(yuǎn)鏡、電視機(jī)和 iPhone。然后我們讓他自己在網(wǎng)上隨便逛逛。

好了，剛才過(guò)得很開(kāi)心吧。Bok，你覺(jué)得怎樣？

是的，我們看得出來(lái)你很驚訝。最后，我們向他展示了我們互相交流的方式。

Bok 應(yīng)該會(huì)很震驚地發(fā)現(xiàn)，雖然人類(lèi)在學(xué)會(huì)用語(yǔ)言交流之后掌握了很多神奇的能力，但是在真正互相交流的時(shí)候，我們的交流方式跟他那個(gè)時(shí)代的人相比沒(méi)什么區(qū)別。當(dāng)兩個(gè)現(xiàn)代人在一起對(duì)話的時(shí)候，他們使用的其實(shí)是一項(xiàng) 5 萬(wàn)年前的技術(shù)。

還有另外一件事可能也會(huì)讓 Bok 感到難以置信，在這樣一個(gè)由各種高級(jí)機(jī)器運(yùn)作的世界里，創(chuàng)造這些機(jī)器的人們竟然還在用跟 Bok 一樣的身體走來(lái)走去。怎么會(huì)這樣呢？

這就是腦機(jī)接口這個(gè)新領(lǐng)域如此可望不可即的原因。腦機(jī)接口是神經(jīng)工程學(xué)下的一個(gè)分支，后者是生物技術(shù)下的一個(gè)分支。我們已經(jīng)借助技術(shù)的力量多次征服了這個(gè)世界，但是當(dāng)涉及到我們的大腦——我們最核心的工具時(shí)，技術(shù)世界總是畏縮不前。

所以我們還在用 Bok 發(fā)明的技術(shù)進(jìn)行溝通，所以我還在用比我的思維慢 20 倍的速度把這句話打出來(lái)，所以各種跟大腦相關(guān)的疾病仍然會(huì)讓許多人行動(dòng)不便甚至失去生命。

但是在大腦靈光一現(xiàn)發(fā)明語(yǔ)言的 5 萬(wàn)年后，這種情況終于要改變了。大腦的下一個(gè)偉大前沿，也許正是它自己。

腦機(jī)接口可以有很多不同的種類(lèi)，用于提供各種多種功能。但是每個(gè)研究腦機(jī)接口的人都在努力解決下面的兩個(gè)問(wèn)題：

1）如何從大腦中輸出正確的信息？
2）如何將正確的信息輸入到大腦？

第一個(gè)問(wèn)題是關(guān)于如何捕捉大腦的輸出——也就是記錄神經(jīng)元說(shuō)的東西。

第二個(gè)問(wèn)題則是關(guān)于如何將信息輸入到大腦的自然信息流，或以其他方式改變這個(gè)自然信息流——也就是如何刺激神經(jīng)元。

這兩件事情一直在你的大腦自然地發(fā)生。你在看這句話時(shí)，你的眼睛正在做出一系列特定的水平動(dòng)作。這是大腦神經(jīng)元將信息輸出到一臺(tái)機(jī)器（你的雙眼），機(jī)器接收命令并作出響應(yīng)。當(dāng)你的雙眼以正確的方式移動(dòng)時(shí)，屏幕發(fā)射的光子會(huì)進(jìn)入你的視網(wǎng)膜，刺激皮質(zhì)枕葉中的神經(jīng)元，讓這些文字的圖像進(jìn)入你的思維。然后這幅圖像會(huì)刺激大腦另一部分的神經(jīng)元，讓你能夠處理圖像中包含的信息，并吸收句子的意思。

輸入及輸出信息是大腦神經(jīng)元的工作。腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)想做的就是介入到這個(gè)過(guò)程當(dāng)中。

乍看之下，這項(xiàng)任務(wù)似乎也沒(méi)有那么困難？反正大腦只是一個(gè)果凍球，對(duì)吧？至于皮質(zhì)——我們主要進(jìn)行記錄和刺激的大腦部位——它也只是一塊餐巾，而且它還位于大腦外層，研究起來(lái)非常方便。皮質(zhì)里面有大約 200 億個(gè)活躍的神經(jīng)元——200 億個(gè)黏糊糊的晶體管，如果我們能學(xué)會(huì)它們的工作原理，我們就可以在前所未有的高度上掌控我們的生命、我們的健康、我們的世界。我們不能弄明白這個(gè)嗎？雖然神經(jīng)元是很小，但畢竟我們連如何分裂原子都知道了。神經(jīng)元的直徑大約是原子的 10 萬(wàn)倍——如果原子是一顆彈珠的大小，那么神經(jīng)元的直徑將超過(guò)一公里——所以我們應(yīng)該能應(yīng)付這種尺度的東西，對(duì)吧？

那么這里的問(wèn)題到底是什么？

首先，上面的想法是有一定道理的，由于上述事實(shí)的存在，這個(gè)產(chǎn)業(yè)確實(shí)有可能實(shí)現(xiàn)重大的進(jìn)步。我們可以做到這些。

但是只要你了解到大腦的真正工作原理，你就會(huì)認(rèn)識(shí)到這也許是人類(lèi)有史以來(lái)最艱巨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

所以在討論腦機(jī)接口本身之前，我們需要走近看看那些嘗試建造腦機(jī)接口的人正在克服的問(wèn)題。我發(fā)現(xiàn)把事情說(shuō)清楚的最好方法，就是將大腦放大整整 1000 倍，然后看看它里面的情況。

還記得我們之前的「皮質(zhì)餐巾」比喻嗎？

如果我們把它放大 1000 倍，那么這塊原本每條邊長(zhǎng)約 48 厘米/ 19 英寸的皮質(zhì)餐巾，現(xiàn)在就有六個(gè)曼哈頓小街區(qū)（或兩個(gè)大街區(qū)）的那么大。你要花 25 分鐘左右才能繞著它走一圈。而整個(gè)大腦則剛好可以塞在一個(gè)四個(gè)街區(qū)大的正方形里面，跟麥迪遜廣場(chǎng)花園的大小差不多（僅僅是長(zhǎng)和寬。這個(gè)比例下，大腦的高度是麥迪遜廣場(chǎng)花園的兩倍）。

現(xiàn)在我們把這塊餐巾在城市里攤開(kāi)來(lái)，我相信住在這里的幾十萬(wàn)人是不會(huì)介意的。

我選擇擴(kuò)大 1000 倍是有幾個(gè)原因的。首先是我們都可以很方便地在腦中轉(zhuǎn)換比例。大腦中的一毫米現(xiàn)在是一米。而對(duì)于尺度更小的神經(jīng)元世界，現(xiàn)在的一微米變成了更容易理解的一毫米。其次，這樣可以很方便地將皮質(zhì)擴(kuò)大到了人體的尺寸——它原本兩毫米的厚度現(xiàn)在成了兩米，差不多就是一個(gè)高個(gè)子的身高。

現(xiàn)在我們可以走到第二十九街，這是我們的巨型皮質(zhì)餐巾的邊緣，這樣我們就可以清楚看到這兩米厚的皮質(zhì)里面發(fā)生的情況。為了演示方便，我們從這塊巨型皮質(zhì)中截取一立方米來(lái)研究，這樣我們就可以知道真實(shí)皮質(zhì)中的一立方毫米里面的情況。

我們?cè)谶@一立方米里面看到的東西將會(huì)是一團(tuán)糟。所以我們先把里面的東西全部清空，然后再把它們逐一放進(jìn)去。

我們先把神經(jīng)元細(xì)胞體放進(jìn)去——它們是這個(gè)方塊內(nèi)所有神經(jīng)元的身體。

神經(jīng)元細(xì)胞體有著不同的大小，但是根據(jù)我請(qǐng)教過(guò)的一位神經(jīng)學(xué)家的說(shuō)法，位于皮質(zhì)的神經(jīng)元細(xì)胞體的直徑通常約為 10 或 15 微米。也就是說(shuō)如果你把 7 個(gè)或 10 個(gè)這樣的細(xì)胞體排成一行，這條線的長(zhǎng)度大概跟頭發(fā)的直徑差不多。在我們的放大尺度下，細(xì)胞體的直徑為 1 到 1.5 厘米，相當(dāng)于一顆彈珠的大小。

整個(gè)皮質(zhì)的體積大約為 50 萬(wàn)立方毫米，在這個(gè)空間里大約有 200 億個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞體。這意味著每立方毫米的皮質(zhì)平均含有約 4 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。所以在我們這個(gè)一立方米的盒子里面有 4 萬(wàn)顆彈珠。如果我們將這個(gè)盒子分成 4 萬(wàn)個(gè)立方空間，那么每個(gè)空間的邊長(zhǎng)大概為 3 厘米，也就是說(shuō)我們每個(gè)細(xì)胞體彈珠都在自己的 3 厘米立方體的中心，而周?chē)鱾€(gè)方向的細(xì)胞體與它大約相隔 3 厘米。

還跟得上我的思路嗎？你可以想象出這個(gè)裝有 4 萬(wàn)顆漂浮彈珠的立方體嗎？

這是一張?jiān)谡鎸?shí)皮質(zhì)中的神經(jīng)元細(xì)胞體的顯微鏡圖像，細(xì)胞體周?chē)钠渌镔|(zhì)已經(jīng)通過(guò)特殊技術(shù)排除了：

好吧，到這里為止還不算太瘋狂。但是細(xì)胞體只是神經(jīng)元的一小部分結(jié)構(gòu)。每顆彈珠大小的細(xì)胞體會(huì)伸出許多扭曲分岔的樹(shù)突，在我們放大比例的大腦中，它們可以向各個(gè)不同方向伸展出三、四米，而從細(xì)胞體另一端伸出來(lái)的軸突則可以超過(guò) 100 米長(zhǎng)（當(dāng)它延伸到相鄰的皮質(zhì)區(qū)域時(shí)），或者甚至可以達(dá)到 1 公里（當(dāng)它向下延伸到脊髓和身體時(shí)）。這里的每根軸突的厚度只有 1 毫米左右，它們?cè)谄べ|(zhì)里面就像是一團(tuán)密密麻麻的帶電意大利面。

這團(tuán)意大利面里面發(fā)生著很多事情。每個(gè)神經(jīng)元都擁有高達(dá) 1000 個(gè)（有時(shí)甚至可以達(dá)到 1 萬(wàn)個(gè)）通向其他神經(jīng)元的突觸連接。皮質(zhì)中擁有大約 200 億個(gè)神經(jīng)元，也就是說(shuō)這里有超過(guò) 20 萬(wàn)億個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)連接（整個(gè)大腦中則擁有高達(dá)一千兆個(gè)連接）。而在我們的一立方米中就將有超過(guò) 2000 萬(wàn)個(gè)突觸。

然而更復(fù)雜的是，我們的立方體不僅含有這 4 萬(wàn)顆彈珠伸出來(lái)的無(wú)數(shù)根意大利面，還有很多來(lái)自皮質(zhì)其他部位的意大利面會(huì)穿過(guò)這個(gè)立方體。這就意味著，如果我們要在這個(gè)立方空間中記錄信號(hào)或者刺激神經(jīng)元，我們肯定會(huì)遇到很多麻煩，因?yàn)樵谶@團(tuán)亂七八糟的意大利面之中，我們很難找出那些意大利面是屬于我們的細(xì)胞體彈珠的（而且還沒(méi)有算上混雜在其中的大量浦肯野細(xì)胞（Purkinje cell）。）

當(dāng)然，我們還要考慮神經(jīng)可塑性的問(wèn)題。每個(gè)神經(jīng)元的電壓都是不斷變化的，這個(gè)變化頻率可以達(dá)到每秒數(shù)百次。而且我們立方體里面的數(shù)千萬(wàn)個(gè)突觸連接會(huì)經(jīng)常改變大小，消失，然后重新出現(xiàn)。

但是這還不算完。

事實(shí)上大腦里面還有一種叫做膠質(zhì)細(xì)胞（glial cell）的東西，這種細(xì)胞有許多不同的變種，分別負(fù)責(zé)不同的功能，比如清掃釋放到突觸內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)，用髓鞘包裹軸突，以及作為大腦的免疫系統(tǒng)。下面是一些常見(jiàn)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞種類(lèi)：

皮質(zhì)里面有多少膠質(zhì)細(xì)胞呢？它們跟神經(jīng)元的數(shù)量差不多。^[1] 所以我們還要在立方體里加上 4 萬(wàn)個(gè)這類(lèi)奇形怪狀的東西。

最后還有血管。每立方毫米的皮質(zhì)里面的毛細(xì)血管加起來(lái)的總長(zhǎng)度可以達(dá)到一米，如果放在我們一立方米的模型，這里面就有總共一公里長(zhǎng)的血管。在這樣大小的空間內(nèi)，這些血管看起來(lái)是這樣的：

補(bǔ)充說(shuō)明：人腦連接組計(jì)劃

現(xiàn)在神經(jīng)學(xué)界正在進(jìn)行一個(gè)叫做「人類(lèi)連接組計(jì)劃」（Human Connectome Project）的偉大計(jì)劃。科學(xué)家們希望通過(guò)這個(gè)計(jì)劃建立一張完整的人類(lèi)大腦圖譜。人類(lèi)之前從來(lái)沒(méi)有涉足過(guò)這種規(guī)模的大腦圖譜。

這個(gè)計(jì)劃需要把人腦切成難以置信的薄片——厚度大約為 30 納米，相當(dāng)于 1/33000 毫米。（這張圖片是一臺(tái)機(jī)器正在一個(gè)鼠腦上切片）。

這個(gè)人類(lèi)連接組計(jì)劃的成果包括一些華麗的圖片 ，里面是功能接近的軸突所以形成的「彩帶」圖案，它們通常位于白質(zhì)之中：

除此之外，這個(gè)計(jì)劃還向人們呈現(xiàn)了大腦的各個(gè)部分是如何擠在一起的。下面這是一個(gè)鼠腦切片的各個(gè)部分的分解（這里已經(jīng)不包含血管）：

（上圖的 E 是完整的腦切片，F(xiàn) 到 N 是組成 E 的各個(gè)部分。）

所以我們的立方盒子里面密密麻麻地塞滿了各種黏糊糊的帶電物質(zhì)——現(xiàn)在我們回到現(xiàn)實(shí)，這個(gè)盒子里面的所有東西其實(shí)都塞在一立方毫米當(dāng)中。

腦機(jī)接口工程師們要做的就是在這一立方毫米里面捕捉神經(jīng)元細(xì)胞體發(fā)出的信號(hào)，或者刺激某些特定的細(xì)胞體發(fā)出工程師需要的信號(hào)。好吧，祝你們好運(yùn)。

即使在我們放大了 1000 倍的大腦，要做到上面的任務(wù)也是非常困難的，而且我們的放大版大腦還是一塊已經(jīng)攤平了的餐巾，但現(xiàn)實(shí)并非如此——在正常情況下，這塊餐巾是包裹在「麥迪遜廣場(chǎng)花園」表面的，而且上面布滿了各種深入的皺褶（在我們的尺度下，這些皺褶的深度達(dá)到 5 到 30 米）。事實(shí)上，只有三分之一的皮質(zhì)是位于大腦表面的——其他大部分都被埋藏在皺褶之中。

再者，工程師們也不是在實(shí)驗(yàn)室里有用不完的大腦可以擺弄。另外大腦外面還有像俄羅斯套娃一樣的分層結(jié)構(gòu)，其中的頭骨在放大 1000 倍之后就有大約 7 米厚。而且大多數(shù)人都不太愿意自己的頭蓋骨被長(zhǎng)時(shí)間掀起來(lái)——最好完全不要被掀起來(lái)——所以你必須用盡可能非侵入性的方式來(lái)處理那些微型的彈珠。

上面所說(shuō)的前提是你需要跟皮質(zhì)打交道——但是許多先進(jìn)的腦機(jī)接口概念是需要深入到皮質(zhì)下面的結(jié)構(gòu)的。如果你站在我們的「麥迪遜廣場(chǎng)花園大腦」上面的話，這些結(jié)構(gòu)將被埋藏在你腳下的 50-100 米之內(nèi)。

這個(gè)放大游戲讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了大腦的巨大規(guī)模。想想在我們的一立方米里有多少事情在發(fā)生，而且要記得這只是大腦皮層的 50 萬(wàn)分之一。如果我們將整塊巨型皮質(zhì)切割成一塊塊這樣的立方體，然后把它們拍成一列，這條隊(duì)伍的長(zhǎng)度可以達(dá)到 500 公里——已經(jīng)超過(guò)了從紐約到波士頓的距離。如果你徒步走過(guò)這段路程（就算快步走也要花 100 小時(shí)），無(wú)論你在路上的哪一處停下腳步，你面前的立方體里面都有同樣復(fù)雜的情況。所有這一切，現(xiàn)在都在你的大腦中發(fā)生。

第三部分A：你是不是該慶幸這不是你需要解決的問(wèn)題

沒(méi)錯(cuò)！

回到第三部分：腦機(jī)接口

那么科學(xué)家和工程師們是如何著手處理這個(gè)情況的？

他們只能充分利用現(xiàn)有的工具——那些用來(lái)記錄或者刺激神經(jīng)元的工具（我們現(xiàn)在先把重點(diǎn)放在記錄方面）。接下來(lái)我們來(lái)看看具體有什么工具可供選擇：

腦機(jī)接口工具

從目前的研究水平來(lái)看，我們?cè)谠u(píng)估某種記錄工具的優(yōu)劣時(shí)需要考慮三個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)：

1）規(guī)模——可以記錄多少神經(jīng)元

2）分辨率——這個(gè)工具接收到的信息的細(xì)致程度。這里所說(shuō)的分辨度可以分成兩種：空間上的分辨率（能否細(xì)致記錄單個(gè)神經(jīng)元的觸發(fā)情況）和時(shí)間上的分辨率（能否確定你所記錄的活動(dòng)的確切發(fā)生時(shí)間）。

3）侵入性——是否需要手術(shù)？如果需要，手術(shù)的影響范圍有多大？

我們的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是要滿足上述所有的標(biāo)準(zhǔn)。但就目前而言，我們始終還是需要在其中一個(gè)（或兩個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)上作出讓步。在不同的工具之間切換并非整體上的進(jìn)步或退步，它們只是對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的妥協(xié)而已。

下面我們來(lái)了解一下目前正在應(yīng)用的腦機(jī)接口工具：

功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）

規(guī)模：大（能夠顯示整個(gè)大腦的信息）

分辨率：空間分辨率為中低，時(shí)間分辨率為極低

侵入性：非侵入性

雖然 fMRI 不是傳統(tǒng)的腦機(jī)接口工具，但它是一種典型的記錄工具——它能告訴你大腦內(nèi)部的情況。

fMRI 使用的磁共振成像技術(shù)（MRI）發(fā)明于 1970 年代，這是從 X 光 CT 掃描發(fā)展而來(lái)的技術(shù)。MRI 采用磁場(chǎng)（以及電磁波等其他信號(hào)）取代 X 光來(lái)生成身體和大腦的圖像，比如這樣：

下面是一組完整的腦截面圖，你可以看到整個(gè)腦部的結(jié)構(gòu)。
腦截面圖 鏈接

這是一項(xiàng)非常神奇的技術(shù)。

fMRI 可以利用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)追蹤血液流動(dòng)的變化。為什么要這樣做？因?yàn)榇竽X區(qū)域變得更活躍時(shí)會(huì)消耗更多能量，也就需要更多氧氣——所以流向該區(qū)域的血液會(huì)增加，為它提供所需要的氧氣。fMRI 的掃描結(jié)果可能是這樣的：

當(dāng)然，大腦里面一直都有血液流過(guò)——這幅圖像展示的是血流增加的區(qū)域（紅色／橙色／黃色）和血流減小的（藍(lán)色）。因?yàn)?fMRI 能夠掃描整個(gè)大腦，所以最終生成的結(jié)果是三維的。

fMRI 有許多醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，比如幫助醫(yī)生了解病人在中風(fēng)后大腦的各個(gè)部位是否正常；另外也讓神經(jīng)科學(xué)家能夠全面掌握大腦各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的功能。這種掃描技術(shù)的另外一個(gè)好處是，它還能提供大腦在特定時(shí)間的完整狀態(tài)信息，而且這種方式十分安全，完全沒(méi)有侵入性。

fMRI 的主要缺點(diǎn)在于分辨率，它掃描生成的圖像確實(shí)會(huì)有一個(gè)分辨率，正如電腦屏幕上會(huì)有像素一樣，只不過(guò)它的像素是三維立體的——也就是所謂的「體素」（voxel）。

隨著技術(shù)的提升，fMRI 的體素變得越來(lái)越小，所以它的空間分辨率也因此提升了。現(xiàn)在最小的 fMRI 體素可以達(dá)到一立方毫米，而大腦的體積約為 120 萬(wàn)立方毫米，所以高分辨率的 fMRI 掃描能把大腦劃分成大約一百萬(wàn)個(gè)小方塊。但問(wèn)題是，在神經(jīng)元的尺度下，這樣的小方塊還是顯得太大了（它在放大之后就跟我們上面的立方米方塊一樣大了），每一個(gè)體素里面都會(huì)包含成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。所以 fMRI 充其量只能展示每組 4 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的平均血流量。

然而更嚴(yán)重的問(wèn)題在于時(shí)間分辨率。fMRI 所追蹤的血流量并不精確，而且會(huì)有大約一秒鐘的延遲——這在神經(jīng)元的世界中可以說(shuō)是永恒了。

腦電圖（Electroencephalography，EEG）

規(guī)模：大

分辨率：空間性分辨率極低，時(shí)間分辨率中高

侵入性：非侵入性

腦電圖已經(jīng)擁有接近一個(gè)世紀(jì)的歷史，這種技術(shù)就是在腦袋上貼一堆電極，你肯定知道它是怎樣的：

在一個(gè)生活在 2050 年的人的眼中，腦電圖肯定是一項(xiàng)原始得可笑的技術(shù)，但是就目前而言，這是唯一一種完全非侵入性的腦機(jī)接口工具。腦電圖可以記錄下大腦中不同區(qū)域的電流活動(dòng)，然后生成這樣的結(jié)果：

腦電圖可以用于發(fā)現(xiàn)癲癇之類(lèi)的疾病，追蹤睡眠規(guī)律，或者確定麻醉劑效果等。

跟 fMRI 不一樣的是，腦電圖具有很高的時(shí)間分辨率，它能夠在大腦發(fā)出電信號(hào)的同時(shí)捕捉到它們——只是顱骨會(huì)對(duì)時(shí)間精確度造成影響（因?yàn)楣穷^的導(dǎo)電性不佳）。

腦電圖的主要缺點(diǎn)是空間分辨率。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有空間分辨率。每個(gè)電極只能記錄下一個(gè)大致的平均值——數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億神經(jīng)元發(fā)出的總電流（而且由于顱骨的存在，這只是一個(gè)模糊的近似值）。

假設(shè)大腦是一個(gè)棒球場(chǎng)，其中的神經(jīng)元是觀眾，現(xiàn)在我們需要的信息是觀眾們所說(shuō)的話。在這種情況下，腦電圖就像是放在場(chǎng)館外面的一組麥克風(fēng)，正對(duì)著場(chǎng)館的外墻。你可以通過(guò)這些麥克風(fēng)聽(tīng)到觀眾在什么時(shí)候歡呼，可能還可以猜得出他們?cè)跒槭裁礆g呼。你能夠從一些跡象中聽(tīng)出來(lái)現(xiàn)在是中場(chǎng)休息，或者聽(tīng)得出這是不是一場(chǎng)比分接近的比賽。你可能聽(tīng)得出有什么意外狀況發(fā)生，但你能知道的也就這么多了。

皮質(zhì)電圖（Electrocorticography，ECoG）

規(guī)模：大

分辨率：空間分辨率低，時(shí)間分辨率高

侵入性：部分侵入性

皮質(zhì)電圖的原理跟腦電圖類(lèi)似，同樣都會(huì)采用電極——只是這種技術(shù)會(huì)將電極放在顱骨下面，也就是大腦表面。

雖然有點(diǎn)可怕，但很有效，至少比腦電圖的效果好多了。沒(méi)有了顱骨的干擾，皮質(zhì)電圖能夠獲取更高空間分辨率（1 厘米左右）和時(shí)間分辨率（5 毫秒）的信息。皮質(zhì)電圖的電極可以放在硬腦膜的上面或者下面：

回到我們剛才的棒球場(chǎng)比喻，皮質(zhì)電圖的麥克風(fēng)是放在場(chǎng)館里面的，離觀眾更近了一點(diǎn)。所以跟腦電圖從場(chǎng)館外接收的聲音相比，皮質(zhì)電圖的麥克風(fēng)可以捕捉到更清晰的聲音，而且能更好地辨別不同坐席區(qū)中發(fā)出的聲音。但這種提升是有代價(jià)的——它需要進(jìn)行侵入性的手術(shù)。不過(guò)這種手術(shù)的侵入性也不算高，一位神經(jīng)外科醫(yī)生告訴我，「你可以用相對(duì)非侵入性的方式在硬腦膜下面塞東西，雖然還是要在腦殼上開(kāi)個(gè)洞，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，它的侵入性不算高。」

局部場(chǎng)電位（Local Field Potential，LFP）

規(guī)模：小

分辨率：空間分辨率中低，時(shí)間分辨率高

侵入性：高侵入性

從現(xiàn)在開(kāi)始，我們就要從表面電極轉(zhuǎn)到微電極——外科醫(yī)生插進(jìn)大腦里面的小針。

腦外科醫(yī)生本·拉波波爾向我介紹了他父親（一名神經(jīng)科醫(yī)生）以前制作微電極的方法：

我父親以前制作微電極的時(shí)候是純手工操作的。他會(huì)用一根很細(xì)的金屬線，可能是用金、鉑或銥制成的，它們的直徑在 10 到 30 微米之間，他會(huì)把這根線插進(jìn)一支直徑大約一毫米的玻璃毛細(xì)管中，接著他們會(huì)把這個(gè)東西放在火焰上翻轉(zhuǎn)加熱，直到玻璃軟化。在這個(gè)過(guò)程中，他們會(huì)把玻璃毛細(xì)管拉長(zhǎng)，讓它變得非常細(xì)，然后把它從火上拿下來(lái)，將玻璃毛細(xì)管的兩端打破。現(xiàn)在這根毛細(xì)管就會(huì)緊緊包裹著金屬線，而且跟金屬線一樣長(zhǎng)。因?yàn)椴Ａ墙^緣體，里面的金屬線是導(dǎo)體，所以最后得到的是一個(gè)帶有玻璃絕緣層的堅(jiān)硬電極，頂端可能只有幾十微米大小。

到了現(xiàn)在，雖然有些微電極還是手工制作的，但是新的技術(shù)會(huì)借鑒來(lái)自集成電路產(chǎn)業(yè)的硅晶片和制造技術(shù)。

局部場(chǎng)電位的工作原理很簡(jiǎn)單：將這種帶電極的極細(xì)探針插入皮質(zhì)一、二毫米深的地方，它能收集到電極覆蓋范圍內(nèi)所有神經(jīng)元發(fā)出的平均電荷數(shù)。

局部場(chǎng)電位可以提供像 fMRI 那樣不錯(cuò)的空間分辨率，以及類(lèi)似于皮質(zhì)電圖的即時(shí)時(shí)間分辨率。所以就分辨率而言，它可以說(shuō)是上述工具當(dāng)中最好的。

可惜，它在另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方面的表現(xiàn)都很糟糕。

不像 fMRI、腦電圖和皮質(zhì)電圖，采用微電極的局部場(chǎng)電位沒(méi)有規(guī)模可言，它只能告訴你電極周?chē)囊恍K區(qū)域在發(fā)生什么，而且它的侵入性要高出許多——它的電極確實(shí)會(huì)進(jìn)入大腦內(nèi)部。

如果放在我們的棒球場(chǎng)比喻中，局部場(chǎng)電位就像是一個(gè)掛在某片坐席區(qū)上方的麥克風(fēng)，它能夠清晰地接收這片區(qū)域發(fā)出的聲音，甚至還能偶爾聽(tīng)到單個(gè)觀眾說(shuō)的話——但是大多數(shù)情況下只能感受到觀眾們大致的氛圍。

局部場(chǎng)電位領(lǐng)域的一項(xiàng)最新發(fā)展是多電極陣列（multielectrode array），它的原理和局部場(chǎng)電位一樣，只是它會(huì)同時(shí)在皮質(zhì)的某個(gè)區(qū)域同時(shí)插上 100 個(gè)微電極。下面是一個(gè)多電極陣列的實(shí)物：

在這個(gè) 4 毫米 x 4 毫米的小方塊上有 100 個(gè)細(xì)小的硅電極。你可以在下面這幅圖片看到這些電極有多細(xì)——它們的最尖端只有幾微米：

單細(xì)胞記錄（Single-Unit Recording）

規(guī)模：極小

分辨率：極高

侵入性：高侵入性

如果要記錄更大范圍的局部場(chǎng)電位，你可以采用尖端更圓滑的電極，從而增大電極的接觸面積，以及降低電極的電阻，這是為了接收來(lái)自多個(gè)部位的微弱信號(hào)。最終的效果是讓電極收集到局部區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)元的整體活動(dòng)。

單細(xì)胞記錄也是采用微電極，但是這種電極的尖端會(huì)變得異常細(xì)小，因此它的電阻也會(huì)大大提高。這種方式可以屏蔽掉大多數(shù)的噪音，但也會(huì)導(dǎo)致電極幾乎探測(cè)不到任何東西——除非在它特別靠近一個(gè)神經(jīng)元的時(shí)候（也許距離 50 微米），神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度足以穿過(guò)電極的電阻。由于這種方式可以探測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的獨(dú)特信號(hào)，而且沒(méi)有背景噪音的干擾，所以現(xiàn)在我們就可以監(jiān)視單個(gè)神經(jīng)元的個(gè)體活動(dòng)。這種方式的記錄規(guī)模最小，分辨率最高。

對(duì)了，你可以在這里聽(tīng)到神經(jīng)元是怎么激活的（你聽(tīng)到的是一個(gè)神經(jīng)元發(fā)出的電子化學(xué)信號(hào)被轉(zhuǎn)化為音頻的效果。）

另外還有一種電極可以更近距離地探測(cè)神經(jīng)元，它們采用的是一種叫做膜片鉗（patch clamp）的技術(shù)，這種電極的頂端會(huì)被移除，剩下一根細(xì)小的玻璃吸管（glass pipette）^[2]，它可以將神經(jīng)元細(xì)胞膜的一部分吸進(jìn)玻璃管內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量：

跟我們前面討論過(guò)的方法相比，膜片鉗技術(shù)還有一個(gè)好處，由于它會(huì)實(shí)際接觸到神經(jīng)元，所以除了記錄以外，它還能刺激神經(jīng)元，比如通過(guò)輸入電流或者控制電壓來(lái)進(jìn)行一些特定的測(cè)試（其他方法也能刺激神經(jīng)元，但不能針對(duì)刺激單個(gè)神經(jīng)元）。

最后一種電極會(huì)真正刺穿細(xì)胞膜，并完全進(jìn)入神經(jīng)元內(nèi)部，這種方法叫做尖銳電極記錄（sharp electrode recording）。如果電極頂端足夠尖銳就不會(huì)破壞神經(jīng)元細(xì)胞——因?yàn)榧?xì)胞膜會(huì)在電極周?chē)]合。這種方式可以輕易刺激神經(jīng)元，或者記錄神經(jīng)元內(nèi)外的電壓差。但是這種技術(shù)對(duì)神經(jīng)元的干預(yù)時(shí)間不長(zhǎng)——因?yàn)楸淮檀┑纳窠?jīng)元無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間存活。

在我們的棒球場(chǎng)比喻中，單細(xì)胞記錄就像是別在一名觀眾衣領(lǐng)上的單向麥克風(fēng)。膜片鉗或尖銳電極記錄就像是貼在一名觀眾喉嚨上的麥克風(fēng)，能夠確切接收到觀眾的聲帶振動(dòng)。這種方法能夠很好地了解這名觀眾對(duì)比賽的看法，但你無(wú)法確定這個(gè)人的聲音和反應(yīng)能否反應(yīng)比賽現(xiàn)場(chǎng)的情況。

這些基本上就是我們現(xiàn)在擁有的技術(shù)，至少就常用領(lǐng)域而言。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這些工具已經(jīng)先進(jìn)得令人難以置信，但是在未來(lái)人類(lèi)的眼中，它們就像是石器時(shí)代的技術(shù)一樣。他們將難以相信，我們要在高分辨率和大規(guī)模之間作出取舍，而且還真的得打開(kāi)一個(gè)人的腦袋才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信息讀取或?qū)懭搿?/p>

但盡管有著種種局限，這些工具還是讓我們認(rèn)識(shí)到了大腦的世界，并促進(jìn)了一些不錯(cuò)的早期腦機(jī)接口技術(shù)的誕生。以下是我們目前已經(jīng)取得的成果：

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的腦機(jī)接口技術(shù)

1969 年，研究員埃伯哈德·費(fèi)茲（Eberhard Fetz）將猴子大腦中的一個(gè)神經(jīng)元連接到了放在它面前的一個(gè)儀表盤(pán)。當(dāng)神經(jīng)元被觸發(fā)的時(shí)候，儀表盤(pán)的指針會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果猴子可以通過(guò)某種思考方式觸發(fā)該神經(jīng)元，并讓儀表盤(pán)的指針轉(zhuǎn)動(dòng)，它就能得到一顆香蕉味的丸子作為獎(jiǎng)勵(lì)。漸漸地，猴子變得越來(lái)越擅長(zhǎng)這個(gè)游戲，因?yàn)樗氤缘礁嗤枳印＿@只猴子學(xué)會(huì)了控制神經(jīng)元的觸發(fā)，并在偶然之下成為了第一個(gè)真正的腦機(jī)接口被試對(duì)象。

相關(guān)的技術(shù)在接下來(lái)的幾十年進(jìn)展緩慢，但到了 90 年代中期，事情開(kāi)始有了起色，并從此進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)步加速發(fā)展的階段。

由于我們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)和已有的電極硬件都非常原始，所以相關(guān)的研究主要集中在制作一些簡(jiǎn)單的接口，用于我們最了解大腦部位，比如運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和視覺(jué)皮質(zhì)。

此外，鑒于目前我們只可能在身患?xì)埣驳娜松砩线M(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗麄兿Ｍㄟ^(guò)腦機(jī)接口修復(fù)身體的損傷（而且這也是目前市場(chǎng)的需求所在），所以到目前為止，相關(guān)的研究基本都集中在幫助殘疾人恢復(fù)受損機(jī)能之上。

未來(lái)的主流腦機(jī)產(chǎn)業(yè)將會(huì)改變整個(gè)世界，并讓全人類(lèi)都擁有超能力，但是它們目前還處于起步階段——我們應(yīng)該以正在進(jìn)行的相關(guān)研究作為線索，看看未來(lái)幾十年乃至上百年后的世界將會(huì)發(fā)生什么翻天覆地的變化。

比如，看看這個(gè)：

這是阿蘭·圖靈（Alan Turing）在 1950 年建造的一臺(tái)叫做「Pilot ACE」的計(jì)算機(jī)，這在當(dāng)時(shí)可說(shuō)是非常前沿的。

現(xiàn)在再看看這個(gè)：

在你閱讀下文舉出的例子時(shí)，我希望你能夠聯(lián)系到這個(gè)類(lèi)比：

Pilot ACE 之于 iPhone 7

相當(dāng)于

以下的腦機(jī)接口例子 之于 XXX

想象一下這個(gè)空格應(yīng)該填上什么，我們會(huì)在文章后面回來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。

無(wú)論如何，從我閱讀到的資料和相關(guān)領(lǐng)域人士的分享來(lái)看，目前正在大力研發(fā)的腦機(jī)接口主要有以下三個(gè)類(lèi)型：

早期腦機(jī)接口類(lèi)型一：將運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)作為遙控器

如果你已經(jīng)忘記了我在 9000 字前說(shuō)過(guò)的東西，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)就是這個(gè)東西：

大腦的各個(gè)部位都讓我們難以理解，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)已經(jīng)是其中最容易理解的一個(gè)部位。最重要的是，這個(gè)區(qū)域擁有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的特定區(qū)域負(fù)責(zé)控制身體的特定部位。（還記得上面那個(gè)嚇人的小矮人嗎？）

另外很重要的一點(diǎn)是，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)是大腦負(fù)責(zé)輸出的主要區(qū)域之一。一個(gè)人做出的任何動(dòng)作基本上都是由運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)直接操控的（至少是做出實(shí)際動(dòng)作這一部分）。所以我們并不需要學(xué)習(xí)如何把運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)作為遙控器使用，因?yàn)榇竽X已經(jīng)將運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)用作它的遙控器了。

現(xiàn)在試著把你的手舉起來(lái)，然后放下。看到?jīng)]？你的手就像個(gè)無(wú)人機(jī)玩具一樣，你的大腦剛剛就是拿起了運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)遙控器，用它來(lái)讓控制你的手舉起又放下。

運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)腦機(jī)接口的目標(biāo)是接入大腦的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，然后監(jiān)聽(tīng)這個(gè)「遙控器」發(fā)出的命令，并將其發(fā)送到某種機(jī)器，后者可以像你的手一樣對(duì)這個(gè)命令作出回應(yīng)。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和手之間是通過(guò)神經(jīng)傳遞信息的，而腦機(jī)接口則是運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和計(jì)算機(jī)之間傳遞信息的介質(zhì)，就是這么簡(jiǎn)單。

這類(lèi)接口的主要應(yīng)用是幫助個(gè)人（通常是高位截癱或截肢患者）通過(guò)意念控制屏幕上的光標(biāo)。

這種方式需要把一塊含有 100 個(gè)電極的多電極陣列植入患者的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)。癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)通常都是完好無(wú)損的——問(wèn)題主要出在擔(dān)任皮質(zhì)和身體中間人的脊髓之上。所以在植入多電極陣列后，研究人員會(huì)要求患者嘗試朝不同方向移動(dòng)手臂。雖然他們的手臂事實(shí)上無(wú)法移動(dòng)，但是他們的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)仍然會(huì)照常發(fā)出移動(dòng)手臂的信號(hào)。

當(dāng)一個(gè)人移動(dòng)自己的手臂時(shí)，他的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)會(huì)觸發(fā)一系列的活動(dòng)，但是單個(gè)神經(jīng)元通常只負(fù)責(zé)一種動(dòng)作。所以某個(gè)神經(jīng)元可能會(huì)在主人向右移動(dòng)手臂時(shí)被觸發(fā)，但當(dāng)手臂移向其他方向時(shí)，這個(gè)神經(jīng)元可能會(huì)沒(méi)有那么活躍。如果只有這個(gè)神經(jīng)元的信息，計(jì)算機(jī)可以知道這個(gè)人是否想向右移動(dòng)手臂，除此以外就無(wú)從得知了。不過(guò)如果使用多電極陣列的話，陣列上的 100 個(gè)電極可以分別監(jiān)聽(tīng)不同的神經(jīng)元。^[3] 在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，研究人員會(huì)要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象嘗試向右移動(dòng)手臂，這時(shí)可能在這 100 個(gè)電極中有 38 個(gè)監(jiān)測(cè)到神經(jīng)元的觸發(fā)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象向左移動(dòng)手臂時(shí)，可能有 41 個(gè)電極監(jiān)測(cè)到神經(jīng)元的觸發(fā)。在測(cè)試過(guò)一系列不同的動(dòng)作、方向和速度之后，計(jì)算機(jī)會(huì)從電極讀取數(shù)據(jù)，然后大致整理出哪些神經(jīng)元觸發(fā)組合對(duì)應(yīng)哪種動(dòng)作意圖，并在直角坐標(biāo)系中標(biāo)記出來(lái)。

接下來(lái)他們可以將這些數(shù)據(jù)與電腦屏幕對(duì)應(yīng)起來(lái)，這時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象就能通過(guò)他們的意念嘗試「移動(dòng)」屏幕上的光標(biāo)，實(shí)現(xiàn)真正控制光標(biāo)的效果。這種方法是切實(shí)可行的——在運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)腦機(jī)接口的先驅(qū) BrainGate 的努力之下，下面的這位實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠僅憑自己的意念來(lái)玩游戲：

https://www.youtube.com/watch?v=TJJPbpHoPWo

And if 100 neurons can tell you where they want to move a cursor, why couldn’t they tell you when they want to pick up a mug of coffee and take a sip? That’s what this quadriplegic woman did:

如果 100 個(gè)神經(jīng)元可以確定光標(biāo)在屏幕上移動(dòng)的位置，那它們能不能發(fā)出拿起一杯咖啡并喝一口的指令呢？下面這位四肢癱瘓的女士就是這么做的：

https://youtu.be/QRt8QCx3BCo

另一位四肢癱瘓的女士能夠在飛行模擬器中駕駛一架 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)，最近還有一只猴子能夠用意念控制輪椅四處走動(dòng)。

既然這種方法可以讀取手臂的動(dòng)作，身體的其他部位也可以讀取嗎？巴西的腦機(jī)接口先驅(qū)米格爾·尼古萊利斯(Miguel Nicolelis)和他的團(tuán)隊(duì)打造出了一副完整的外骨骼，讓一位癱瘓少年為巴西世界杯開(kāi)出第一腳球。

補(bǔ)充說(shuō)明：關(guān)于本體感受

上述的「神經(jīng)假體」都是以神經(jīng)元活動(dòng)的記錄為基礎(chǔ)的，但是如果要讓這些裝置真正發(fā)揮作用，我們需要一個(gè)同時(shí)包含記錄和刺激的閉環(huán)。我們以前可能沒(méi)怎么想過(guò)，我們撿起物品的能力其實(shí)很大程度上依賴(lài)于手部皮膚和肌肉反饋的觸覺(jué)信息（這叫做「本體感受」，proprioception）。我看過(guò)一個(gè)視頻，里面有一位手指麻痹的女士在嘗試點(diǎn)著一根火柴，雖然她的其他身體機(jī)能完好，但卻一直無(wú)法點(diǎn)著火柴。而在這個(gè)視頻開(kāi)頭出現(xiàn)的男性也有嚴(yán)重的行動(dòng)不便，但是他的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)機(jī)能完好，他的行動(dòng)不便是由于本體感受受損導(dǎo)致的。所以如果要做出真正實(shí)用的仿生手臂，它必須具備反饋感覺(jué)信息的能力。

而神經(jīng)元的刺激要比記錄它們更難。研究員菲利普·薩貝斯（Flip Sabes）向我解釋道：

「如果我可以記錄下一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)模式，這并不意味著我可以隨意用記錄下來(lái)的模式來(lái)重現(xiàn)這個(gè)活動(dòng)。這種情況可以類(lèi)比成太陽(yáng)系里的行星，你可以觀察行星公轉(zhuǎn)并記錄下它們的運(yùn)動(dòng)軌跡，但如果你把所有行星的位置打亂，然后要還原其中一顆行星原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這不是把那顆行星放回原來(lái)的軌道就行了，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)會(huì)受到其他所有行星的影響。同樣，神經(jīng)元也不是獨(dú)立工作的，所以這從根本上來(lái)講是不可逆的。此外，由于大量軸突和樹(shù)突的存在，要單獨(dú)刺激某個(gè)神經(jīng)元是很困難的——因?yàn)楫?dāng)你嘗試這么做的時(shí)候，你會(huì)一下子打亂很多東西。」

菲利普的實(shí)驗(yàn)室嘗試借助大腦本身的力量來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。他們?cè)趯?duì)一只猴子進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果在猴子每次激發(fā)某個(gè)神經(jīng)元的時(shí)候都獎(jiǎng)勵(lì)它喝一口橙汁，它會(huì)逐漸學(xué)會(huì)主動(dòng)激發(fā)那個(gè)神經(jīng)元，那么該神經(jīng)元就可以作為另一種遙控器來(lái)使用。這意味著正常的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)命令只是其中一種可能的控制手段。按照這個(gè)思路，在腦機(jī)接口技術(shù)足以實(shí)現(xiàn)完美的神經(jīng)元刺激之前，你可以利用大腦的神經(jīng)可塑性作為一條捷徑。仿生手指很難做到返回像真實(shí)手指一樣的觸覺(jué)信息，不過(guò)它可以發(fā)送其他信號(hào)給大腦。剛開(kāi)始病人可能會(huì)有奇怪的感覺(jué)，但他的大腦最終能學(xué)會(huì)把這個(gè)信號(hào)看成一種新的觸覺(jué)。這個(gè)概念叫做「感覺(jué)替代」（sensory substitution），它讓大腦成為了腦機(jī)接口研究的得力助手。

在這些發(fā)展當(dāng)中孕育著未來(lái)技術(shù)突破的種子，比如腦間交流。

尼古萊利斯建立了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他在巴西和美國(guó)分別將一只老鼠關(guān)在籠子里面，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將兩只老鼠的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)連接起來(lái)。巴西鼠的籠子里面有兩個(gè)拉桿，它已經(jīng)知道按下哪個(gè)拉桿可以得到獎(jiǎng)勵(lì)，美國(guó)鼠的籠子里面也有兩個(gè)拉桿，但是后者不知道自己的哪個(gè)拉桿可以帶來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)——不過(guò)它可以接收到巴西鼠發(fā)出的信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中，如果美國(guó)鼠選擇了正確的拉桿，也就是巴西鼠按下的那個(gè)，兩只老鼠都會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)；如果它選錯(cuò)了，兩只老鼠都不會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。令人驚訝的是，久而久之，這兩只老鼠會(huì)越來(lái)越擅長(zhǎng)玩這個(gè)游戲，并開(kāi)始合作，就像是一個(gè)統(tǒng)一的神經(jīng)系統(tǒng)一樣——盡管它們都不知道對(duì)方的存在。在沒(méi)有任何外部信息的情況下，美國(guó)鼠的成功率只有 50%，而得到了來(lái)自巴西鼠大腦的信號(hào)之后，它的成功率提升至 64%。（這里是該實(shí)驗(yàn)的視頻。）

類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)也在真人身上進(jìn)行過(guò)，只是實(shí)驗(yàn)的形式比較初步。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是讓分別身處兩幢樓里的兩個(gè)人合作玩一個(gè)電子游戲。一個(gè)人可以看到游戲的畫(huà)面，另一個(gè)人拿著控制手柄。兩個(gè)人的頭上都帶著一個(gè)簡(jiǎn)單的腦電圖裝置，可以看到游戲畫(huà)面的玩家負(fù)責(zé)想著用手按下手柄上的「射擊」按鈕，但不會(huì)真正動(dòng)手。由于他們各自的大腦設(shè)備在互相通信，拿著手柄的玩家能感受到自己手指上的顫動(dòng)，然后按下射擊按鈕。

早期腦機(jī)接口類(lèi)型二：人工耳朵和眼睛

恢復(fù)聾人的聽(tīng)覺(jué)和盲人的視覺(jué)是比較可行的一個(gè)腦機(jī)接口領(lǐng)域，主要有以下幾個(gè)方面的原因。

首先，跟運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)一樣，體覺(jué)皮質(zhì)也是我們比較了解的大腦部位，因?yàn)轶w覺(jué)皮質(zhì)跟身體各個(gè)部位也有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其次，在許多早期應(yīng)用中，我們不用真正接觸大腦本身——只需要處理耳朵和眼睛連接到大腦的部位，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ锹?tīng)覺(jué)或視覺(jué)受損出現(xiàn)的地方。

運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)相關(guān)的腦機(jī)接口主要是通過(guò)記錄神經(jīng)元來(lái)獲取大腦的信息，而人工感官走的是另一個(gè)方向——通過(guò)刺激神經(jīng)元來(lái)向大腦發(fā)送信息。

近幾十年來(lái)，聽(tīng)覺(jué)修復(fù)領(lǐng)域出現(xiàn)了一項(xiàng)突破性的進(jìn)展——耳蝸植入。

補(bǔ)充說(shuō)明：關(guān)于聽(tīng)覺(jué)的原理

當(dāng)你認(rèn)為自己「聽(tīng)到聲音」的時(shí)候，真實(shí)發(fā)生的情況是這樣的：

我們所感知到的聲音，其實(shí)是頭部周?chē)目諝夥肿右蕴囟l率振動(dòng)的結(jié)果。無(wú)論是吉他、人聲、風(fēng)聲還是其他任何東西發(fā)出的聲音，都是由振動(dòng)產(chǎn)生的，聲源的振動(dòng)會(huì)引起周?chē)諝夥肿影l(fā)生類(lèi)似的振動(dòng)，這種特定的振動(dòng)模式會(huì)以聲源為中心向四周擴(kuò)散，就像是水面在被觸碰之后會(huì)產(chǎn)生向外擴(kuò)散的漣漪一樣。^[4]

你的耳朵是一臺(tái)可以將空氣振動(dòng)轉(zhuǎn)化成電子脈沖的機(jī)器。每當(dāng)聲音經(jīng)過(guò)空氣（也可以是水或者其他任何能產(chǎn)生分子振動(dòng)的介質(zhì)）進(jìn)入你的耳朵，它能夠?qū)⒔橘|(zhì)的振動(dòng)方式準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，并發(fā)送到與之相連的神經(jīng)末梢，從而激發(fā)神經(jīng)產(chǎn)生特定組合的動(dòng)作電位，這個(gè)信號(hào)會(huì)被傳遞至聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)進(jìn)行處理。這樣你的大腦就接收到這個(gè)聲音的信息，我們把這個(gè)接收這類(lèi)信息的過(guò)程稱(chēng)為「聽(tīng)」。

多數(shù)失聰或者聽(tīng)力障礙人士并的神經(jīng)或者聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)都沒(méi)有問(wèn)題——他們的問(wèn)題通常出在耳朵。他們的大腦在轉(zhuǎn)化電子脈沖為聽(tīng)覺(jué)信息的能力跟正常人沒(méi)有區(qū)別，只是他們的聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)從一開(kāi)始就沒(méi)有接收到任何電子脈沖，因?yàn)樗麄冐?fù)責(zé)把空氣振動(dòng)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)的機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。

人的耳朵有很多組成部分，其中的耳蝸是上述信號(hào)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部位。振動(dòng)在進(jìn)入耳蝸中的液體時(shí)會(huì)引發(fā)其中無(wú)數(shù)微小毛發(fā)的振動(dòng)，與這些毛發(fā)相連的細(xì)胞會(huì)將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，然后這些電子信號(hào)會(huì)刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)。下面是這個(gè)過(guò)程的示意圖：

耳蝸還會(huì)根據(jù)進(jìn)入聲音的頻率對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。下圖展示了低頻聲音會(huì)在耳蝸末端處理，高頻聲音會(huì)在耳蝸前端處理（并解釋了為什么耳朵能聽(tīng)到的聲音頻率會(huì)存在下限和上限）：

耳蝸假體是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其中一端是一個(gè)麥克風(fēng)（貼在耳朵上），另一端是一條電線，后者連接著一組被安裝在耳蝸內(nèi)的電極。

以上圖為例，聲音會(huì)被麥克風(fēng)（耳朵上的那個(gè)小鉤）采集，然后進(jìn)入棕色的元件，后者會(huì)對(duì)聲音進(jìn)行初步處理，過(guò)濾掉次要頻率的聲音。接下來(lái)棕色元件會(huì)以電感應(yīng)的方式，通過(guò)皮膚將信息傳輸至計(jì)算機(jī)的另一個(gè)元件，后者會(huì)將信息轉(zhuǎn)化為電子脈沖并發(fā)送到耳蝸。耳蝸里的電極會(huì)根據(jù)頻率對(duì)這些脈沖信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，然后刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)——就像是正常耳蝸的功能一樣。這是耳蝸假體在外面看上去的樣子：

換句話說(shuō)，這就是一個(gè)人造耳朵，它能像正常耳朵一樣實(shí)現(xiàn)聲音-脈沖-聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的處理過(guò)程。

被植入耳蝸假體的人聽(tīng)到的聲音大概是這樣的。

效果似乎不太好，為什么會(huì)這樣？因?yàn)槿绻_(dá)到真正耳朵聽(tīng)到的聲音的豐富程度，你需要使用 3500 個(gè)電極，但大多數(shù)耳蝸假體只有 16 個(gè)電極左右^[5]，所以它們能聽(tīng)到的聲音確實(shí)會(huì)粗糙一些。

不過(guò)由于我們還處于「Pilot ACE」的時(shí)代，所以粗糙也是理所當(dāng)然的。

盡管如此，但是現(xiàn)在的耳蝸假體已經(jīng)能讓聾人聽(tīng)到他人的講話以及進(jìn)行對(duì)話，這已經(jīng)是個(gè)突破性的進(jìn)展了。^[6]

現(xiàn)在，很多先天失聰嬰兒的父母會(huì)在孩子大約一歲的時(shí)候給他們植入耳蝸假體。就像下面這個(gè)嬰兒，他第一次聽(tīng)到聲音時(shí)的反應(yīng)太可愛(ài)了。

https://youtu.be/HTzTt1VnHRM

類(lèi)似的革命性進(jìn)展也在失明修復(fù)領(lǐng)域出現(xiàn)，比如視網(wǎng)膜假體。

失明通常是視網(wǎng)膜病變導(dǎo)致的結(jié)果。在這種情況下，視網(wǎng)膜假體能以類(lèi)似于耳蝸假體修復(fù)聽(tīng)覺(jué)的方式修復(fù)視覺(jué)（不過(guò)沒(méi)有那么直接）。它能實(shí)現(xiàn)正常眼睛的功能，將信息以電子脈沖的形式傳遞給神經(jīng)。

視網(wǎng)膜假體是比耳蝸假體更復(fù)雜的一種腦機(jī)接口。2011 年，第一款得到美國(guó)食品藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的視網(wǎng)膜假體面世——Second Sight 生產(chǎn)的「Argus II」。這個(gè)視網(wǎng)膜假體的外觀是這樣的：

它的工作原理是這樣的：

https://youtu.be/Bi_HpbFKnSw

這款視網(wǎng)膜假體帶有 60 個(gè)傳感器，而真正的視網(wǎng)膜擁有大約 100 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，所以還是粗糙了點(diǎn)。不過(guò)它已經(jīng)可以看到物體模糊的邊緣、形狀和明暗變化，這總比什么都看不見(jiàn)要好。這里有一個(gè)好消息是你不需要 100 萬(wàn)個(gè)傳感器才能得到相當(dāng)?shù)囊暳ΑM實(shí)驗(yàn)表明，帶有 600 到 1000 個(gè)電極的視網(wǎng)膜假體已經(jīng)足以提供閱讀和人臉辨別的視力。

早期腦機(jī)接口類(lèi)型三：深度大腦刺激

深度大腦刺激的歷史可以追溯至 1980 年代，雖然這也是一種比較粗糙的工具，但是它也改變了很多人的生活。

另外，它還是一種不需要與外界溝通的腦機(jī)接口——它是通過(guò)刺激大腦內(nèi)部來(lái)達(dá)到治療或改善身體機(jī)能的效果。

深度大腦刺激會(huì)采用一到兩根電線，上面通常會(huì)連著四個(gè)不同位置的電極，然后將它們插入到腦中，一般會(huì)延伸到邊緣系統(tǒng)的某個(gè)位置。電極的另一端被連接到一臺(tái)被植入在上胸部的調(diào)節(jié)器。下面是這種裝置的示意圖：

這些植入在腦中的電極可以在有需要的時(shí)候?qū)ο嚓P(guān)神經(jīng)進(jìn)行刺激，這個(gè)裝置可以發(fā)揮許多重要的作用，比如：

• 減輕帕金森病患者的顫抖癥狀
• 減輕癲癇發(fā)作的嚴(yán)重程度
• 安撫強(qiáng)迫癥患者的情緒

這種技術(shù)還有一些實(shí)驗(yàn)性的用途（尚未經(jīng)過(guò) FDA 批準(zhǔn)），比如用于舒緩偏頭痛和幻肢痛等慢性疼痛；治療焦慮癥、抑郁癥或者創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙；甚至可以結(jié)合身體其他部位的肌肉刺激，幫助恢復(fù)和復(fù)健由于中風(fēng)或神經(jīng)疾病導(dǎo)致的神經(jīng)損傷。

以上就是早期腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，這同時(shí)也是埃隆·馬斯克進(jìn)入這個(gè)產(chǎn)業(yè)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于他和 Neuralink 來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)正處于 A 點(diǎn)。本文之前的全部?jī)?nèi)容讓我們從過(guò)去走到了現(xiàn)在，接下來(lái)我們將要進(jìn)入未來(lái)——我們要了解 B 點(diǎn)是什么，而我們又將如何到達(dá)那里。

這是 ONES Piece 翻譯計(jì)劃的第 132 篇譯文。本文原載于 WaitButWhy.com，作者 Tim Urban 由 ONES Piece 塔娜、徐雪兒、王沫涵、任寧、何聰聰翻譯，關(guān)嘉偉校對(duì)。ONES Piece 是一個(gè)由 ONES Ventures 發(fā)起的非營(yíng)利翻譯計(jì)劃，聚焦科技創(chuàng)新、生活方式和未來(lái)商業(yè)。如果您希望得到更「濕」的信息，我們也有播客節(jié)目「遲早更新」供您收聽(tīng)。

1. 作者注：科學(xué)界曾經(jīng)認(rèn)為，大腦中膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量可以達(dá)到神經(jīng)元數(shù)量的 10 倍，但是最近的研究表明它們的數(shù)量其實(shí)沒(méi)有那么多。 ?

2. 作者注：真的非常細(xì)小——它的直徑只有人類(lèi)頭發(fā)的 1/100。這個(gè)視頻介紹了玻璃吸管的制作過(guò)程。 ?

3. 作者注：研究員安德魯·施瓦茲（Andrew Schwartz）將使用的電極數(shù)量比喻成民意調(diào)查，他表示「你調(diào)查的神經(jīng)元越多，最后的結(jié)果就越準(zhǔn)確。」 ?

4. 作者注：這里是 Wait But Why 之前詳細(xì)解釋聽(tīng)覺(jué)原理的文章。 ?

5. 作者注：通過(guò)利用一些聲音工程學(xué)的技術(shù)，耳蝸假體的研發(fā)人員已經(jīng)可以做到將 16 個(gè)電極提升至 23 個(gè)電極的效果，如果將兩只耳朵的假體疊加起來(lái)的話，可以達(dá)到 121 個(gè)電極的效果。 ?

6. 作者注：這里是一篇非常有趣的耳蝸假體體驗(yàn)報(bào)告。 ?