DARPA布局腦機接口技術

編譯 陸默

通過電學、光學、聲學、磁學和遺傳學開發的腦機接口技術，盡管聽起來有些瘋狂，似乎并非不能實現。

當埃隆·馬斯克（Elon Musk）和美國國防高級研究計劃局（DARPA）都在進入“半電子人”開發快車道時，我們知道，人腦與機器的結合——腦機接口（BMIs）即將實現看似不可能的事情。

科幻小說里經常可以看到的腦機接口技術，在現實生活中起到了促進生物學人腦與外部計算機之間交流的作用，將人類變成了真正的半電子人。然而，無論是大腦控制的機械手臂、微電極“神經貼片”或“記憶創可貼”，都仍只是針對神經系統受損者的實驗性醫療手段。

DARPA正在嘗試通過下一代非手術神經技術（N3）項目將BMIs擴展到軍事領域。不久前該項目邀請了六個學術團隊來設計不同的BMIs，將機器與健壯士兵的大腦連接起來。這個項目將實現在完全不依靠手術并盡量減少任何生物學干預的前提下，將人類大腦與機器連接起來。

目前，技術可通過外科手術將微電極植入大腦，以控制神經元的交流，而下一代BMIs將尋求通過聲學信號、電磁波、納米技術、基因增強的神經元，以及紅外光束的途徑來實現對大腦神經元的控制。

這一變革影響巨大，可能會產生激動人心的成果，也可能會招致毀滅性的結果。無線BMIs可以極大地增強患有神經損傷或創傷后應激障礙（PTSD）退伍軍人的身體功能，也可運用于讓一名士兵用大腦控制一群人工智能無人機。或者，就像電視劇《黑鏡》（Black Mirror）第三季第五集《人與火的對戰》（Men Against Fire）所描述的那樣，讓士兵擺脫戰爭帶來的負罪感。

當這些新技術逐漸應用到民用領域時，它們將給醫療帶來革命性的變化。或者他們可以用一種不可思議的強大工具來激發超人類主義運動，給整個社會帶來根本性的變革，無論是變得更美好或變得更糟糕。

為期四年的N3項目著重于兩個方面：非侵入性和精密的神經接口，用于讀取大腦信息和將信息寫入大腦。

安裝在頭皮上的非侵入性技術的傳感器和刺激器可對整個神經元網絡進行測量，比如控制運動神經元網絡，因此這樣的腦機接口系統可以讓士兵遙控無人機、救援機器人或波士頓動力公司（Boston Dynamics，原谷歌旗下）的“大狗”（BigDog）這樣的運載機器人。該系統甚至可以促進開發多任務技術，即同時控制多種武器，就像身體健全的人除了可以用到自己的兩只手臂外，還可以操縱第三只機械手臂一樣。

只有微小創口的侵入性技術可允許科學家無需手術就能傳遞納米傳感器，例如，注射一種攜帶光敏傳感器的病毒，或其他化學、生物技術或自組裝納米機器人，它們可以聯結單個神經元，在不損害敏感組織的情況下獨立控制它們的活動。這些技術的潛在用途目前還不甚明確，但正如動物實驗所表明的那樣，控制單個神經元在多個點的活動，足以將有關恐懼、欲望和經歷的人工記憶直接輸入大腦。

“一個（腦機接口）神經界面能夠讓身體健全的作戰人員快速、有效、直觀地與軍事系統進行免提交互，這是該項目的最終目標。”DARPA在2018年年初發布的簡報中寫道。

這一技術最終還將有可能被用來提高人類健康水平。“最終的N3傳遞物將包括一個完整的集成雙向腦機接口系統。”項目描述中如此說道。這不僅包括硬件，還包括為這些系統量身定制的新算法，這一設想在“國防部相關應用程序”中進行了演示。

從一開始，腦機接口就將核磁共振（MRI）或經顱磁刺激（TMS）所用的包括微電極在內的一些常用工具排除在外，之前這些流行技術都需要依賴于外科手術，并且需要用到一些笨重的器械，受測試者還必須要維持靜止不動的狀態，這無法體現現實生活中大腦活動的實際狀態。

這六個研究團隊將利用三種不同的自然現象進行腦機交流：磁力、光束和聲波。

例如，萊斯大學的雅各布·羅賓遜（Jacob Robinson）博士正在開發一個將基因工程、紅外激光束和納米磁懸浮技術結合在一起的雙向系統。這一耗資1 800萬美元的項目簡稱為MOANA（磁力、光學和聲學神經通路設備），該系統利用病毒將兩個額外的基因送入大腦。其中一種基因編碼位于神經元頂端的某種蛋白質，當細胞被激活時就會發出紅外線。紅外光可以穿透頭骨，內置于顱蓋的光發射器和探測器接收并解讀這些信息。研究小組解釋說，超高速超敏感的光電探測器可忽略散射光線，并從大腦目標部位梳理并選擇相關信號。

另一種新基因幫助將指令寫入大腦。這種蛋白質將鐵納米粒子與神經元的激活機制“綁定”成為磁性超級神經元，通過耳機上的磁線圈，研究小組可以在不影響其他神經元的情況下，遠程刺激帶磁性的超級神經元。研究小組計劃從細胞培養和動物實驗開始，但他們的最終目標是將視覺圖像從一個人的大腦傳到另一個人的大腦里。

“四年后，我們希望能在不做腦部手術的情況下，實現大腦與大腦之間思維的直接溝通。”羅賓遜說。

N3還包括其他一些雄心勃勃的項目。例如，卡耐基梅隆大學的研究小組計劃使用超聲波來精確定位目標大腦區域光的交互作用，然后通過一頂可穿戴的“帽子”來檢測大腦活動。為在大腦中寫入信息，他們設想一種靈活的可穿戴的微型發電機，它可以抵消頭蓋骨和頭皮的噪音影響，定位特定的神經群。

同樣，約翰霍普金斯大學的一個研究小組也在研究如何測量大腦中光路的變化，將其與大腦中“閱讀”人腦指令的區域活動建立聯系。

相比之下，Teledyne科學與成像小組的研究方向是微型光能“磁力儀”，以探測神經元在放電時產生的微弱局部磁場，并將這些信號與大腦輸出信息匹配起來。

來自非營利組織Battelle團隊的“頭腦風暴”納米傳感器是一項更具想象力的設計，他們將磁性納米顆粒包裹在壓電體外殼中，壓電體外殼可將神經元發出的電信號轉換成磁性信號，反之亦然。這樣外部收發器可以無線接收轉換后的信號，并通過腦機接口雙向通道刺激大腦。微型磁力儀可以通過鼻噴劑或其他非侵入性方法導入大腦，并通過磁力引導其進入大腦目標區域，當不再需要它們時，也可以再次被引出大腦，進入人體血液，然后身體可以不受傷害地排出它們。

這些都令人興奮嗎？是的，對于腦機接口研究的進展，科學家同樣非常興奮。然而，研究團隊所面臨的挑戰也是十分巨大的。

DARPA宣稱，他們的目標要在大腦中至少16個位置建立起腦機接口聯系，反應滯后時間小于50毫秒，相當于人類視覺感知的平均水平。對于位于大腦外部的設備來說，無論在空間還是時間上，這都是非常高的分辨率。腦組織、血管、頭皮和頭骨都是分散和消散神經信號的屏障。六個團隊都需要找出方法，以最小計算強度從背景噪音中提取出相關大腦信號，并定位它們所在的大腦區域，以破譯大腦意圖。

從長遠來看，四年時間，以及每個項目平均2 000萬美元的投入，可能并不足以改變我們與機器之間的關系，無論這種改變是好還是壞。但DARPA敏銳地意識到遠程大腦控制有可能被濫用，該項目將在一個具有生物倫理專業背景的外部顧問小組指導下進行。盡管DARPA的主要目標是讓身體健全的士兵能夠更好地應對戰斗挑戰，但不可否認的是，無線非侵入性的BMIs也會讓那些最需要幫助的人受益，包括退伍軍人和其他神經受損的人。為此，該項目正與美國食品藥品管理局（FDA）緊密合作，以確保該項目和其開發的技術符合人類使用的安全性和有效性法規。

四年時間我們能達成這個腦機接口目標嗎？一些人也許有所懷疑。但是這些通過電學、光學、聲學、磁學和遺傳學開發的BMIs，盡管聽起來有些瘋狂，似乎并非不能實現。

N3項目經理阿爾·艾蒙迪（Al Emondi）說：“DARPA正在為未來做準備，在這個未來里，無人系統、人工智能和網絡操作的結合可能會導致沖突在一個很短的時間點上爆發，而人類僅憑現有技術可能無法在那么短時間里對其進行有效管理。”

問題是，既然我們已經知道未來會發生什么，我們其他人應該做好哪些準備呢？