“腦機融合”，當夢想照進現實

李忠東

思考的電子化交流

2020年8月28日，美國企業家埃隆·馬斯克旗下的神經連接公司舉辦了一場大型發布會，會上展示了腦機接口技術在工程學上的新進展，公開了未來有望更便捷易用的自動植入手術設備，再次激發了人們對腦機接口技術的熱情和期待。發布會的亮點在于實驗動物從2019年夏天的大鼠變為小豬，后者與人類的相似度比前者更高。植入手術由一臺專用機器人完成，植入物僅有硬幣大小，全過程僅需一小時，并可“當天出院”。

腦機接口是指在大腦與外部設備之間創建全新信息交換通路，將大腦信號轉化為機器可識別的信號，以實現對機器的有效控制。與此同時，將外部設備信號轉化為大腦可識別信號從而實現外部對大腦進行直接干預。自20世紀20年代科學家發現腦電波以來，腦機接口便應運而生。20世紀90年代以后，已經開始出現階段性的探索成果，如美國匹茲堡大學神經生物學家12年前宣稱，猴子通過腦機接口能操縱機械臂給自己喂食，這標志著該技術的發展已經允許人們將動物腦部與外部設備直接相連。

埃隆·馬斯克關于腦與機器交互的想法始于2016年。但真正引人注目的設想是從2019年7月開始，他提出使用外科手術機器人把“薄紗細線”植入生物大腦，并與外部計算機處理單元相連接。埃隆·馬斯克希望，神經織網可以很好地與人體其他部分“共生”，即把生物大腦與數字智能完美結合起來。事實上，早在1987年，蘇格蘭科幻小說家伊恩·班克斯就在小說里詳細地描述了一種覆蓋人類大腦的未來神經網絡。通過這個網絡，人們可以對神經元進行編程，這與埃隆·馬斯克說的神經織網如出一轍。

此后數十年，這項技術逐漸帶來一些實用產品。目前，腦機接口較為成熟的應用主要集中在神經康復和輔助醫學領域，比如為失聰者植入人工耳蝸可恢復聽力。然而該技術在重癥醫學領域的應用還十分有限。近年來，隨著人工智能等技術的發展，腦機接口在多個領域開展了應用嘗試，像基于神經信號解碼的機器翻譯、意念控制機械臂和腦控電子游戲等。

2016年，埃隆·馬斯克和其他8個人聯合創辦了神經連接公司，聘請了加州大學舊金山分校生理學專家菲利普·薩佩斯、波士頓大學生物學專家蒂莫西·加德納等該領域的著名學者。該公司長期與加州大學戴維斯分校開展聯合研究，主要從事神經織網技術開發，研發電腦與人腦融合技術，向人腦植入未來能夠上傳下載思想的微型電極，大幅提高人機交互速度，以期最終解決“人機共生”問題。在談及神經連接的科幻用途時，埃隆·馬斯克在發布會上表示：“在未來，你將能夠保存和恢復記憶。基本上可以把你的記憶作為備份，然后再恢復這些記憶，還可以把它們下載到一個新的主體或機器人主體中。”

埃隆·馬斯克創立神經連接公司源自于對人工智能（AI）的恐懼。他深信，在未來，AI的智力一定會比人類高，那將是一件非常可怕的事情。如果還按照生物進化的角度任由人類的智力自我演化，那么到時候人類也許早就被滅了。而避免落后于機器的最好方式就是將我們自己轉變為AI。那么，該如何轉變呢？只有通過腦機接口，讓人類與機器進行融合，屆時實現人類中有AI，AI中有人類，兩者無法分開，也就無所謂誰贏了誰。神經連接公司希望通過腦機接口輸入思維，為人類提供無延遲、直接的高帶寬連接，幫助人類跟上先進的AI技術，降低潛在的生存威脅。

神經連接公司成立之初，以醫療健康領域為主。除了能幫助殘障人士控制義肢外，埃隆·馬斯克的短期目標還包括對抗記憶力衰退、恢復頸脊髓損傷以及治療癲癇、抑郁癥、帕金森病等神經系統疾病。深度腦部刺激或通過植入大腦的電極治療已經用于顱腦創傷恢復，很多患者接受了這類手術，取得了較好的療效。另外，還有跡象表明，這類技術或許對治療自閉癥有幫助。在多數病例中，將電極植入自閉癥患者的大腦有助于改善癥狀，以及用來治療精神上癮和抑郁癥。

然而，埃隆·馬斯克的長期目標更為激進，包括諸如“概念心靈感應 ”之類的想法。比如說，兩個人可以通過思考來進行電子化的交流，而無須依靠書寫或語言。又比如人們可通過神經連接與自己的數字AI化身融為一體等。

小豬測試獲得成功

埃隆·馬斯克在發布會上指出，科學是重中之重，首次推出的神經連接手術機器人將大放異彩。如果人們要避免被人工智能超越，那么大腦與機器結合的神經條至關重要。“從生存性威脅的角度來看，腦機融合必不可少，而神經連接完全能夠勝任這一使命。”他強調說，“我們研究團隊的成員分享了一份‘愿望清單，內容包括恢復癱瘓人士活動能力、盲人視力、幫助人們心靈感應、上傳記憶以供日后參考或者可能被下載到替換身體中等。”

發布會上，科幻設計的神經連接手術機器人閃亮登場，它是溫哥華工業設計公司沃克工作室的作品。其中，神經連接公司的工程師和科學家創造了基座技術，沃克工作室負責開發機器人的外觀和用戶體驗，以及在之前的演示中展示過的耳后通信終端。醫療機器人通體干凈，其選用的白色，跟設計的弧線和光滑的表面都給人帶來一種撫慰的感覺。除了白色的外表，它還有一個薄荷色的內部，賦予機器人“一種人類的特征”，從而有助于弱化這款侵入性程序的“非人”本質。

神經連接手術機器人分為3個主要部分：頭部、軀體和基座。其中頭部是一個頭盔狀的部件，用于支撐患者的頭部。頭盔內部還配置有一次性使用的袋子，用于無菌操作。軀體的后部凸起，隱藏了所有負責機器人在手術過程中運動的部件。基座可以防止整個機器人出現翻倒等情況。除眼見的這3部分外，當然還包含了本身用于計算的大腦。另外，機器人還配備了一個手術針頭的導引，以及眾多用于繪制大腦活動的嵌入式攝像頭和傳感器。手術機器人會將芯片放置在患者的顱骨下方，將電線插入大腦，但不會損壞血管和腦細胞。為了演示最新研究成果，埃隆·馬斯克還請來小豬“格特魯德”、“喬伊斯”和“多蘿西”，向全世界展示了可實際運作的腦機接口技術。此次的新設備采用了無線技術，通過芯片植入的方式將設備完全植入腦中。僅硬幣大小的芯片帶有密集的微型線路，置于頭骨下方。2個月前，小豬“格特魯德”被植入由神經連接開發的系統，用于記錄從大腦區域到鼻子的信號。被植入系統后，它的狀態良好，活蹦亂跳。在測試中，當這只小豬在舞臺上圍著一支筆嗅來嗅去時，腦機接口設備會獲取神經元發射的信號，在顯示屏上呈現點狀圖像并發出聲音，這顯示它的大腦信號已被實時采集。

與小豬“格特魯德”不同，“多蘿西”先植入神經連接設備后又被取出，而“喬伊斯”則沒有植入設備。測試證明，“多蘿西”與“喬伊斯”等其他正常的小豬沒什么兩樣，仍然可以健康地存活。這一點很重要，因為說不準哪一天做過植入手術的患者需要取出或者“升級”腦子里的神經連接設備。此外，埃隆·馬斯克還展示了一段小豬較早在跑步機上拍攝的視頻，該系統可以通過感應小豬的大腦活動來實時記錄豬爪的位置。

植入人腦面臨挑戰

目前，“侵入式”和“非侵入式”是實現腦機接口的兩個主要路徑。“侵入式”將腦電波檢測電極植入大腦，采集到的腦信號強且穩定，但會對人體造成創傷。“非侵入式”通過可穿戴的腦電波檢測設備獲取信號，雖然對人體無害，但是穿戴不便，信號穩定性差、速度慢、正確率低。為了實現盡可能的低損傷和高效信號傳輸，埃隆·馬斯克試圖在這2條路徑之間找到最優平衡。他表示：“利用神經元活動對神經連接的技術非常重要，從這些信號中收集大量數據，將教會神經連接軟件與身體其他部位進行交流，在輔助芯片（替代頭骨）+外骨骼或執行機構的配合下，可最終實現快速識別意識、復制一定數量的記憶以及執行運動意圖。”

在發布會上，神經連接公司還展示了更為完善的第二代設備，它可以裝進顱骨上的一個小空腔之中。這種神經計算機腦接口系統由看起來類似小型的Fitbit（可穿戴設備）表盤的芯片和約5微米厚的電線組成，體積僅僅是發絲的1/20，通過低能耗藍牙連接到智能手機并由應用程序控制。電線上有1024個電極，呈扇形輻射。相較目前的類似產品，用于對抗帕金森綜合征的腦電系統只有10個電極。雖然神經連接公司的此款設備尚未在人體中進行過測試，但是2020年7月，美國食品和藥物管理局已將其指定為突破性設備，使他們能夠在整個開發過程中獲得反饋。專家評價，神經連接公司這次展示的新品無論在封裝、集成、植入器件的微型化程度，還是在無線傳輸等工程設計與實現方面都做得很好，神經連接手術機器人也得到了較大的改進。

英國紐卡斯爾大學教授安德魯·杰克遜指出，在這次大型發布會上，神經連接公司主要展示了腦機接口的技術路徑方面的探索和多電極植入的工程挑戰方面取得的新進展，但缺乏基本原理或技術應用上的突破，未展示 “革命性”的內容。由于技術和許可方面的障礙，人體測試要比豬測試困難得多。

近幾年來，腦機接口研究取得了一定成果，但在一些關鍵技術方面仍有待突破。要想早日實現多領域大規模應用，甚至產生科幻作品中描繪的“超級人類”以及“存儲和提取記憶”，還面臨諸多挑戰：一是人類對大腦的了解遠遠不夠，生物學領域的生命活動基礎仍是未解之謎，需要加強基礎科學的研究。盡管不同的腦電波大致有一個代表方向，但“讀懂”腦信號很難。如果基礎研究得不到準確的數學模型，那么后續的開發就缺乏可靠基礎，軟件設計和應用開發便無從談起。二是腦機接口技術將經歷“腦機對接”、“腦機交互”和“腦機融合”3個發展階段，當前正處于由第一階段向第二階段的過渡期，像傳感精度低、集成計算效率差、編解碼能力弱、互適應手段少等主要關鍵技術瓶頸仍有待突破。三是十分缺乏腦機接口技術的實驗，數據非常有限。這類技術通常先以猴子為實驗對象，在此基礎上才能對截癱患者進行臨床試驗，但是目前全球能做猴子實驗的機構不多，只有少數能從事臨床試驗的團隊。技術研究需要以大量的實驗和數據為基礎，人工智能的相關研究更是如此。

至于“控腦”技術的倫理問題，更需要規范化。使用腦機接口技術至少應該遵循知情同意、患者自主性和必要性原則，以及遵守對本人有利、不會對他人和社會造成傷害等原則。腦機接口技術的安全風險也值得一提，例如在電極植入、信號輸入或輸出的過程中有可能對腦部造成傷害，收集和使用腦電波信息有可能涉及對個人隱私的侵犯。愛爾蘭沃特福德理工學院通信軟件和系統小組研究負責人薩西塔蘭·巴拉蘇布拉馬尼亞姆提醒道：“腦機接口可能讓我們更容易受到黑客的攻擊，相關信息的泄露將比我們見過的所有數據泄露都更為嚴重。”