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发表于 2011-01-10 11:39 | Tags 标签:, ,

科技,直接干涉大脑

互联网也好,搜索引擎也好,游戏也好,它们改造大脑的手段毕竟是含蓄而无形的。相比起来,有些当代科技则走上了对大脑进行直接干涉甚至是“暴力破解”的路子。最近网上就流传着一张“老鼠车”的图片,图上那只硕大的老鼠被固定在一个貌似四轮餐车的装置上,它的头部通过连线与机械的传动装置相连。整个系统看上去很像某个科学狂人的杰作,实际上,这是东京大学的研究者们在试验他们开发的大脑-机器连接系统,深山(Fukayama)教授表示他们正努力教会这只老鼠通过脑部活动来控制车子的行进方向。据说现在科学家的难题在于,因为无法和老鼠直接沟通,所以有时候不能了解到底车子是不是真的以老鼠的意志为转移。网上倒是有人出了个绝妙的主意——饿老鼠一天,在一定距离内放上一碟子花生酱,然后观察车子的行进方向……

这张图片可能会让很多人惊恐不已,然而你所不知的是,直接在脑中插入电极这种事情已经在人类身上发生——当然,目的绝不是制造科学怪人。而是为了解救被困锁在躯体中的大脑,为大脑重新打开一扇与外界交流的窗口。

有时候,因为一场意外——事故或者疾病,我们的大脑在很短时间内成为身体的囚徒。1995年,法国ELLE杂志总编尚·多明尼克·鲍比就在一夜间因脑中风失去了自己身体的掌控权,虽然他的意识清醒无比,却只能靠眨左眼与人交流。法文字母按照使用率排序,频率最高的E在最前,而W则敬陪末座。与鲍比交流的人依序将字母一个个念出,而他会适时地眨眼示意。就靠着这样原始而缓慢的方式,鲍比写出了一本小说《潜水钟与蝴蝶》:“我的肉体沉重如潜水钟,但内心渴望像蝴蝶般自由飞翔”。

令鲍比无奈的是,这种表达自己的方式受限极多,交流者的耐心至关重要,有些人听了几个字母就开始往下随意猜测,造成的误解要纠正也很困难。

2001年,年仅25岁的青年纳格尔(Matthew Nagle)遭遇袭击,从脖子以下全部无法动弹。

但纳格尔比鲍比幸运,麻省新英格兰西奈医院的医生给他进行了一项开拓性的手术,植入麻省的网路动力学公司(Cyberkinetics)制造的 “大脑之门”( BrainGate)芯片。于是,96根头发丝粗细的电极探入控制手臂运动的大脑右中央前回1毫米深处,收集来自脑部的电信号并传回,然后电脑把电信号还原成动作指令。结果令人喜出望外,三天之内纳格尔就学会了如何用思想来控制电脑屏幕上的鼠标前进后退。通过这种方式,纳格尔可以开关电视,可以调音量,可以换频道,可以收取电子邮件,甚至可以操控机械义肢抓取东西。

“大脑之门”芯片由美国布朗大学的神经学教授约翰·多诺休开发,2002年,多诺休成功地把一个芯片植入猴子的脑部,并让猴子通过这个芯片玩电脑游戏。

纳格尔控制鼠标,从图片上看,仿若《黑客帝国》的真实版

当然,目前的控制还局限于非常简单的指令,时不时也依然会出错。英国布里斯托尔大学的神经生理学家阿普斯表示,控制运动的神经元数以百万计,我们简简单单的一个动作背后是非常复杂的电信号,而目前的芯片只能收集并传递其中极微小的一部分。好比一场宏大的交响乐团演出中,我们只倾听到了一把小提琴的颤音——尽管如此,那美妙至极的独奏依然撼动人心。

不过这种程度的“窃听效果”显然不能满足美国国防部高级研究计划局(DARPA),DARPA隶属于五角大楼,包括互联网、GPS、夜视技术、隐形飞机等重大科技结果都诞生于此。而数年来,加州大学的研究者与DARPA一直在合作进行一项耗资四百万美元的“无声通话(Silent Talk)”项目,攻关难题包括:首先研究单个个体的脑电图模式,其次看看可否将模式归纳总结,建立首部脑电波通用辞典,最后制造大小适合的耐用装置——脑电图描记器(EEG)装置读脑波,翻译成相应单词,然后传送给接受者。未来的战场上,谁还打手势?无线电?战场PDA?统统落伍!心领神会才是未来的士兵间交流的主流方式。

控制大脑的光与声

另一项由DARPA主持的研究计划甚至更为雄心勃勃。今年他们宣布计划在未来两年内首期投入一千五百万美金研究脑部受伤后的重建,来自斯坦福大学与布朗大学的多个学科研究者都将参与,这个项目名字叫,“修复”。

比起“大脑之门”的目标在于捕捉电信号,“修复”的研究者们则要用各种方法模拟电信号,然后重建大脑中因外伤而失落的回路。这项研究的理论基础依然是神经可塑性——即受伤的大脑能通过新生神经元等方式自我修复。

斯坦福大学电子工程系教授谢诺伊(Krishna Shenoy)就专攻光遗传学——这种很多人闻所未闻的学科研究用光脉冲来精确地触发神经活动。光纤输入的各种波长的光,准确地定位到特定脑细胞上。蓝光能让它们活跃,而黄光则令它们沉默。通过这种方式,谢诺伊可以随心所欲地指挥脑细胞。假设大脑处理一个信号需要先后调用ABC三个区域,而B区因外部损伤导致传输中断。谢诺伊所要做的就是把电极光纤组成的装置植于大脑皮层之上,读取A区传来的电信号,然后翻译成C区相对应的活跃状态,最后以光准确锁定C区的某几个神经元,刺激其活化脑相应区域来回应。最终结果就是, A区信号通过“修复”,绕过了损伤的B区而被C区之间读取了。

当然,要完成这个A到C的翻译,首先必须彻底理解不同的脑区,如何对彼此发出信号,如何有条不紊地协作。目前谢诺伊正以老鼠和猴子进行试验,加深对大脑“密码”的理解。

光并非科学家们唯一的选择,另一选项是无形的超声波。比起必须进行创伤性手术植入光纤与电极,亚利桑那州立大学的泰勒博士(William J. Tyler)认为用非侵入性的手段来影响大脑更为安全。

这种非侵入性手段包括超声脉冲,以及经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)——电线圈置于头部附近,产生作用于脑细胞的磁场与感应性电流。TMS属于比较安全成熟的技术,已经被用于临床治疗药物无效的抑郁症,但问题在于,它只能作用于大脑的浅层表面,对深处的脑回路无能为力。此外,TMS的分辨率也不够高,大约在一厘米上下,远不能满足精细操控的需要。

超声波则可以穿透大脑直达深处去活化或沉默脑细胞。外科医生已经在用高频高强度的超声波烧掉子宫肌瘤。问题是,频率高至千兆赫的超声波在穿透骨骼时会令其温度升高到液化的地步热到变成液体,听起来不太妙。而频率低如兆赫的超声波倒是不那么危险,但要提高精度集中于某点就困难许多。哈佛医学院的柳承世(Seung-Schik Yoo)博士已经成功地用低频低强度的超声波特异地抑制兔子的大脑视敏度,以及选择性活化运动神经皮质。而泰勒发展的超声波技术分辨率大概在2-3毫米,比起TMS已经提高了五倍。研究者们希望这项技术未来能应用在脑瘤的治疗中——在核磁共振的指引下,根据每个人颅内的结构与脑瘤的位置、大小,量身定做的超声波将有如精确制导武器,精准地无需开颅就除去脑瘤。

军方对另一方向的应用更感兴趣:电容式微机械超声传感器(CMUTs) 可以被装在士兵的钢盔里针对性地活化某个脑区,未来士兵们戴着钢盔,就可以时而让自己更警醒,时而帮助自己放松压力,甚至还能缓解大脑外伤的影响。

神经科技的复兴纪元

过去的几十年已经是脑部研究飞速发展的黄金时代,功能性核磁共振成像技术(fMRI)能让我们看到即时的与脑活动有关的脑部血流量变化;植入的电子刺激器可以控制特定神经回路活性。而这方向的研究才是方兴未艾,可以想象不久的未来,研究者们的“微操”将更加强大,脑中单个神经元的活化与沉默也将不在话下。

2008年,美国国家委员会与国防情报局放出了一份151页的报告,《新兴的认知神经科学及相关技术(EmergingCognitive Neuroscience and Related Technologies)》,标题平淡无奇,内容则称军方应更多关注神经科学的研究进展,因此方向有潜力“令士兵学习得更快”“短时间内处理大量信息”以及“在作战时的艰难环境下做出正确抉择”。

不止如此,这份报告继续追问,“战斗意志无疑来源于大脑内”,因此,“怎样才能扰乱敌人的战斗意志?”“怎样能让人们更相信我们?”“如果我们去除脑内的恐惧与痛楚将会怎样?”以及“有办法令敌人服从我们的指挥吗?”

这些问题的答案在未来也许都会是肯定的。当科技飞速发展,有的系统可以读心,有的系统可以运算出神经回路的优化策略,有的系统可以根据运算结果选择性活化脑区,有的系统可以分析脑部信号后绕过其他脑区直接发出指令,有的系统可以将自己收集到的信号传回特定脑区形成感官反馈——只是真到了那时候,还有多少是真多少是假,多少是我们自己内心的活动,多少是处理器刺激形成的活动?是耶非耶?怕是再分不清。

特别鸣谢为本文提出修改意见的Albert.JIAO、沐右、田不野。

本文已发表于科幻世界

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16 Responses to “科技 大脑 (下)”

  1. 不是人说道:

    safa

  2. Roach说道:

    —— 军方对另一方向的应用更感兴趣:电容式微机械超声传感器(CMUTs) 可以被装在士兵的钢盔里针对性地活化某个脑区,未来士兵们戴着钢盔,就可以时而让自己更警醒,时而帮助自己放松压力,甚至还能缓解大脑外伤的影响。
    Metal Gear 4发来贺电。

  3. ARG说道:

    看到这个,就想起攻壳机动队..,直接全身义体+电子脑..

  4. evo说道:

    eneloop的电池 😀

  5. 幻风说道:

    思想钢印啥时候做好?

  6. bio-yang说道:

    可谓灵魂与躯体分离

  7. 吼海雕说道:

    其实所谓关于在军人身上的运用其实就是操控其思想吧……真可怕。到那时还人还是人吗。

  8. 鲨鲸说道:

    文章中有一小疏漏:高频高能量超声波往往使骨骼熔化而不能称为“液化”
    想象前景强大!

  9. sailing说道:

    对大脑的研究成果恐怕最先应用于机器人上,而且是打仗的机器人。

  10. Metaverse说道:

    精确到单个神经元的控制与被控制,人脑跟电脑可以做到很相似么……不知道人脑自身是否有控制单个神经元的能力,如果有,那种控制的感觉和形成的思维过程,不知道又会怎么样……

    • 哥只是一串代码说道:

      人脑的运作机制与电脑截然不同

  11. zinking说道:

    这些与人类大脑相关的研究总是让我心惊胆战

  12. 小罗说道:

    人脑是已知最复杂的结构

  13. nobird说道:

    研究谁也挡不住,只希望未来不会太糟糕....或许我在杞人忧天哦?

  14. 量子说道:

    不战而屈人之兵,美已将脑控武器用于实战

  15. 未知说道:

    这就是战争