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发表于 2009-12-24 11:00 | Tags 标签:, , ,

斯蒂芬·霍金瘫坐在轮椅上,脸上挂着他那著名的神秘微笑。在我第一次读他的《时间简史》时,他还有三根手指能够活动;但是当几年后我再买到精装本《果壳中的宇宙》时,他只能靠一只手指,将脑中奔流不休的思绪缓缓敲在一块小键盘上。而几乎可以确定,在未来的某一天,这位把在人迹罕至的理论物理学界的成就和通常仅为影星和摇滚歌星保留的盛名集于一身的老人,只能将他深邃的思考永远禁锢在一具瘫软无力的肉体当中。

除非,我们能从这颗天才的头颅中,将无形的思考,转换成一个更加清晰的世界,让潜水钟般沉重身体里的思绪,能够像蝴蝶一样轻盈地自由飞翔。

幸运的是,随着脑机接口的发展,这并非绝不可能。

进化

更高、更快、更强。这不仅是奥林匹克运动会的口号,也是人类文明进步的方式。机械工具延伸了人的手,交通工具延伸了人的脚,互联网和通讯产品延伸了人的耳和嘴甚至大脑。但软弱的肉体和大脑对神经和肌肉的依赖,数千年来总让人们无计可施。

直到1924年,人类的面前出现了一道曙光,得以一窥大脑的奥秘。这一年七月的一个傍晚,德国医生汉斯·贝格尔(Hans Berger)第一次从颅骨受损的病人头部测到了极为微弱的电流。在经过近五年的漫长实验后,他终于确认了这种神秘的电流的确来自于脑部活动,并且给自己发明的这种测量方法命名为脑电图(EEG,electroencephalogram)。他从一千多张脑电记录中发现了脑电的部分规律,并且将人们清醒并闭眼时的脑电波定义为阿尔法(α),而将睁开眼睛时的脑电波定义为贝塔(β)。

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随后的几十年,人们又找到了其他一些频率的脑电波,并且把它们和大脑的状态对应起来:熟睡时的德尔塔(δ)、困倦、冥想或被催眠时的西塔(θ)、进行复杂的思想活动或者情绪波动时的伽玛(γ)、以及只能在掌管运动的区域探知的缪(μ)。脑电图开始逐渐成为脑部诊断的必备工具,意识的生理基础不再是一个需要争论的哲学命题。

然而贝格尔医生没有等到EEG大放异彩的那天。在他逝世的时候,电子计算机还没有被发明出来。当电脑和人脑联合时将会必然发生的巨变,怕是连贝格尔医生自己,也从来未曾想到。

20世纪70年代,在美国国防部的国防先进技术研究署(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency,就是这个部门发明了互联网)资助下,加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA, University of California Los Angeles)开始尝试利用EEG,将人类思考的结果不借助肌肉和神经组织,而直接通过计算机来输出——让思考可以直接被看到,让大脑可以直接控制机械,让肉体的羁绊消失于无形。

直到这时,脑机接口(BCI,Brain-computer Interface)这个词才首次出现在科学文献中。伴随这个词出现的,是人们对于大脑活动越来越深入的理解。1978年,人们发现猴子可以在训练后,快速学会自由地控制初级运动皮层中单个神经元的放电频率;1989年,约翰霍普金斯大学的科学家发现恒河猴手臂运动方向和大脑运动皮层中单个神经元放电模式的关系;而到了九十年代,一些研究人员已经能够实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号,并且用来控制外部设备。机械义肢可能变得和原生肢体一样容易使用,人类在进化的漫长道路上看到了一种全新的可能性:人和机械,可以作为一个生命的不同组成部分而共存。

童年的结束

脑电图在头皮外测量,电极仅仅用于接收信号。这是它最大的优势,不会对监控的大脑造成任何可能的损伤。而它的缺点也同样明显:在头皮外接收到的电信号不仅微弱,而且多个脑区的活动信号会叠加在一起,最终形成看起来十分混乱的波形。

幸好这些缺点可以部分克服。微弱的电信号可以放大,而波形的分离早在十九世纪就已经由法国数学家傅立叶解决。现在我们只需要解决脑电波和大脑思考行为的对应关系就行。

但是,这却是最大的难点。大脑中有超过140亿个神经元和超过1000亿的神经元连接,而且由于大脑惊人的适应性,对一个人来说某种行为对应的神经元活动,可能在另一个人身上就完全换了另一组完全不同的神经元。实在很难找到一个共通的模式,可以轻松地让大脑活动变成电脑屏幕上跳跃的文字或者图标。研究人员们现在只能通过探寻一些粗略的模式来进行分析,但是这样的模式避免不了误判的可能。

现在,基于EEG的脑机接口主要集中在两个方向:诱发的信号和自发的信号。当某个异常事件发生后的300毫秒左右,将会检测出一个被叫做P300的电波峰值;当眼睛受到光或图像刺激后,视觉皮层将会产生视觉诱发电位。这两类信号可以通过诱发产生,而且判断准确率较高,但是缺点是需要外界刺激,并且依赖人体本身的某些知觉才能工作。而当某侧肢体运动或者仅仅是想象其运动时同侧的脑区产生的事件相关同步电位、通过反馈训练可以自主控制的皮层慢电位和自发的阿尔法、贝塔等脑电信号虽然不需要外界刺激,但是需要大量的特殊训练和适应过程。毕竟,世间安得两全法,鱼与熊掌,永难兼得。

基于EEG脑机接口进展的举步维艰,让人们不得不另辟蹊径。功能性核磁共振(fMRI,functional Magnetic Resonance Imaging)这种经常摆在医院里的巨大工具,成了科学家们盯上的下一个目标。功能性核磁共振可以用于查看大脑中不同脑区的血液流动情况——一般来说,思维活跃区域的血液流量就会相应增加。这样,通过监测不同区域的血液流动情况,和之前训练的图像进行对比,就可以判断被监控者的思维活动。2006年,日本国际电气通信基础技术研究所和本田研究所两家机构采用这种技术,开发出可以控制机械手的脑机接口,控制的延时只有几秒钟。和脑电相比,功能性核磁共振有更多的优势,但是fMRI实在体积太大,现在还不能指望能够做成一顶头盔戴在头上。

而且,更精确的思考,不会存在于头皮之外,只能从头颅内部去寻找。

在脑中植入电极的设想,几十年前看起来还像是个笑话,但是现在人们已经开始认真地考虑其可行性了。通过一系列动物实验,科学家们已经开始小范围地尝试在人脑中植入电极。这样做的好处显而易见:减少其他脑区活动产生的电波干扰、精确定位电信号的出处。

2004年6月,马萨诸塞州福克斯煲的“赛博动力学”公司(Cyberkinetics)为一位24岁的四肢瘫痪者马特·内格尔(Matt Nagle)脑中植入了一枚芯片。这枚被叫做“脑门”(BrainGate)的芯片只有药片大小。医生为马特做了一个开颅手术,把“脑门”放在大脑表面。在经过9个月的练习之后,马特可以仅凭思考来收发电子邮件、控制一个机械手臂,甚至可以玩电脑游戏。“脑门”有96个电极,可以探测1000多个神经元细胞的活动。将这些神经元的活动发送出来,通过电脑的分析和处理,让马特获得了更好的生活质量。

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2008年,匹兹堡大学的一项研究成果发表在《自然》杂志上。他们的一个研究小组将微电极阵列植入恒河猴大脑的运动区,采集多个神经元的放电信号,并且通过计算机转换成电动假肢的控制命令。经过一段时间的训练之后,猴子学会了直接用大脑控制假肢运动,对抓取力度和假肢运动轨迹的控制达到了很高的准确度,几乎把机械假肢当成了自己的另一条手臂。

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然而,这种方式有很明显的风险。即使是最乐观的人也会谨慎地看待这种植入大脑的芯片,将它可能带来的利益和生命安全放到天平的两端时,孰轻孰重一望可知。大脑,这一标志着地球上生物的智慧顶端的物体,并不适合随便对其动手动脚。

毕竟大脑是一个太过于复杂的存在,以至于有人曾经写下一个关于大脑的悖论:“如果人类的大脑简单得能够让人理解,那么人将愚蠢得不能理解自己的大脑。”然而,随着技术的发展,我们并非没有可能打破这一悖论。如果将“了解自己”做为成为成年的标志,那么在机器的帮助下,人类这个种族自身,也许快要迎来童年结束的那一天。

被毁灭的人

现今的世界上已经有超过十万人植入了人工耳蜗。这是一种大小和助听器类似的小型电子设备,可以将收集到的声音信号变成电信号,直接刺激人的听觉神经,从而让失聪的人们能够听到声音。视觉重建的研究也在进行当中,它们可能会在将来帮助那些眼球受损的病患获得视觉。虽然在目前的技术条件下,电子眼无论是视力还是颜色都不能和真正的人眼相提并论,但和完全失明相比,这无疑是一个比较好的选择。而在更加负责的控制方面,人们走得还不够远。

今年4月,美国威斯康星州立大学麦迪逊分校的亚当·威尔逊戴着一顶连着电线的红帽子,只用脑电波控制,在网上写了几条短小的微博客。屏幕上的字母阵列来回闪动,看起来像是几十年之前的古老游戏。他盯着屏幕,直到屏幕上一个个字母跳出来:“我在用大脑拼写。”虽然速度很慢,每分钟只能写大概十个字母,但是这已经是不错的开端。澳大利亚和美国的几家公司也已经开发出基于EEG的脑机接口头盔,往往安装了十六个以上的接收电极。使用者在经过短暂的训练后,可以用它来控制轮椅或者玩一些简单的游戏。

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即便速度缓慢、功能单一,但是对于那些因为意外、战争或者疾病而失去肢体活动能力的人,通过脑机接口控制的义肢可能是最有希望让他们和正常人一样生活的工具。几乎可以确信,使用脑机接口的义肢已然为期不远,我们即将拥有必将在各种方面都超过原生肢体的义肢。碳纤维、钛合金、意识控制,接下来每个人都会想到诸如《终结者》、《攻壳机动队》、《钢铁侠》或者《新世纪福音战士》中的场景。当这种期望成为现实,人们又将如何面对?

在去年的北京奥运会上,南非短跑运动员“刀锋战士” 奥斯卡·皮斯托留斯(Oscar Pistorius)没能通过400米比赛的预选。起初奥委会认为他的假肢对其他正常运动员来有着特殊的优势而禁止他参加预选,这一新闻登上了各大媒体的头版头条。奥斯卡的假肢没有任何控制功能,仅是在性能上超过人类天生的肢体,就已经引起如此轩然大波,那么当更快更强、更容易控制的人工肢体可以随意安装和组合时,必然将会将争论的方向引导到那个古老的哲学命题上:人是什么?怎样定义“人”?

然而,哲学和伦理上的争论最多只能暂缓科学的脚步,但却永远无法阻止人类的好奇心和文明发展的进程。

纪元的终结

“他小心翼翼地把黑色毛线吸汗带系在额头上,以免弄乱了平坦的仙台皮肤带。他盯着膝上的控制板,但并没有真正看它……

……

他正在什么地方的一间刷成白色的阁楼里大笑,远方的手指抚摸着控制板,宽慰的眼泪从脸上流了下来。”

威廉·吉布森的《神经浪游者》,一直被认为是赛博朋克的开山之作。这本书不仅是历史上唯一一本获得星云、雨果、以及菲利普·狄克三项世界科幻界最高奖的科幻作品,而且看起来相当精确地描述了我们的发展趋势。今天的科技必然将会过时,迟早会有那么一天,我们不再需要天生的身体,而只需要一个健全的大脑。

在《神经浪游者》发表前几年,美国发明家雷蒙德·科兹威尔(Raymond Kurzweil)提出了一种名为“技术奇点”( Technological singularity)的理论,并且成功地让著名硬科幻作家弗诺·文奇(Vernor Vinge)成为了这一理论最热情的传道士。科兹威尔认为,在人类历史上,技术发展的速度并不是均匀的,而是以一种越来越快的方式在加速发展。他找了一些在各自领域中做出重大突破的人和组织,请他们列出认为人类历史上最重要的技术突破和发明,然后把这些事件发生的时间标在对数坐标系上,然后吃惊地发现自己的直觉符合事实,人类的技术发展正在加速向着某个爆发点冲去。借用物理学上的概念,他将这个技术发展到近乎无限的点称为“技术奇点”。之所以采用这个名字,是因为和宇宙的起点一样,它不能用现在的规则来预测其结果。它将是另一种大爆发的起点。

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虽然主流学界对技术奇点理论抱持着观望的态度,但是谁都不得不承认,科技发展正在裹挟我们轰然而去,未知的前方以越来越快的速度向我们扑面撞来,没有人能够闪躲。将人类的优势和电子设备的长处结合起来,已经是我们习以为常的生活。为了应对正在变得越来越快、越来越复杂的世界,人类有必要借助全新的外界帮助,正如三百万年前的原始人需要借助石头和火的帮助一样。

也许,脑机接口将会是我们现在身处的这个信息时代的星星之火,将会终结人类作为一个自然进化物种的漫长纪元。

发于《科幻世界》

Update:其他与脑机接口的文章请见anpopo的《永不消逝的电波》和圆儿的《人脑遥控器》以及小红猪小分队的《生化机械人上市开卖喽

Update : 犹他大学开发出一种覆盖大脑表面的微型电极,植入手术时的照片被评选为《大众科学》杂志 “年度最惊人科学照片”之一。

Microwires emerging from the green and orange tubes connect to two arrays of 16 microelectrodes. Each array is embedded in a small mat of clear, rubbery silicone. The mats are barely visible in this image. These microelectrode arrays sit on the brain without penetrating it, a step toward longer-lived, less invasive versions of "neural interfaces" that in recent experiments elsewhere have allowed paralyzed people to control a computer cursor with their thoughts. The new microelectrode arrays were placed in two patients at the University of Utah who already were undergoing brain surgery for severe epilepsy. The larger, numbered, metallic electrodes are used to locate the source of epileptic seizures in the brain, so the patients allowed the microelectrodes to be placed on their brains at the same time.

Update:波士顿大学主导的一项研究成功地让一位闭锁综合征(locked-in syndrome)患者重新恢复了发音能力。他们在病人大脑的中央前回植入电极,将截获的脑电信号通过无线方式传递出来,然后再用计算机翻译成人类语言。发音啊!无线啊!

Update:今年布鲁斯威利斯的电影《Surrogates》讲的也是关于这个……开头就提到了用机械手的猴子……

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40 Responses to “思考的力量”

  1. 想娶奶茶说道:

    以后工厂里雇佣工人,要雇佣脑子好的了,直接带上帽子操作机床。

  2. arquine说道:

    非常精彩的文章,值得学习和借鉴!

  3. wt81说道:

    我记得曾经有这么一句话——人类一思考,上帝就发笑!
    可是上帝笑什么呢?要是上帝一思考,人类会怎样呢?
    看样子这样的事情还在不断变化中,让我们拭目以待。

  4. 小姬说道:

    猛犸满赛,你写的越来越好啦!
    以后我们要让科幻世界封二打上我们logo!全是我们人嘛!

    • 猛犸说道:

      就是嘛~应该应该~

      话说今年一整年,除了第五期上不是之外,其他的还真的都是……小庄、黄星星……

  5. 孤竹牧狼人说道:

    很强的人机交互方式......

  6. 行空天牛。说道:

    国防科大自动控制系有一拨人也在做认知科学和BCI方面的研究。

  7. Marvin P说道:

    猛犸你为什么总能写到我一直想看的题材……

  8. mysky说道:

    猛犸,你!你!
    最后一张图片好恐怖!

  9. oliwen说道:

    如其制造一部人脑机器还真不如让机器来控制人脑,倘若如文中所说是帮助医疗领域的话,我很欣喜,但愿某些科幻小说中的恐怖情节不会被现实复制。

  10. qfzcx说道:

    山东科技大学 也有个教授从事该项研究不知道进展如何。

  11. wclight说道:

    最后一张图很抢眼啊~

  12. 莽轩说道:

    我个人的印象中好像“恒河猴”这个生物经常被用于有关于脑类的研究,为何不用海豚或者大猩猩这两种,前者在除人以外的动物中智商卓绝,后一种不仅具备与人基因上的高同源性而且工具的初级使用也是很出色的

    • HelloBeauty说道:

      也许是因为这猴子好养活吧,你要玩海豚的话,还得配个水箱。

  13. Metaverse说道:

    “哲学和伦理上的争论最多只能暂缓科学的脚步,但却永远无法阻止人类的好奇心和文明发展的进程”

    狂顶这句~~

    EEG高度发达的话,做动画会很爽。。。

  14. mellivora说道:

    充满幻想空间,我觉得的这个技术对于机器人控制来说太重要了

  15. Lady Jiao说道:

    不知道大家看没看过科幻电影,它所演绎的未来世界简直就是本篇文章的精髓。

  16. Lady Jiao说道:

    补充电影的名字:Surrogates. 布鲁斯.威力斯主演。影片中文名字:未来战警。

  17. zoe说道:

    技术奇点……赶上这个时代了~

  18. 青伟志军说道:

    技术太发达了,人会成为科技的人类、创新的大脑思考

  19. 乐秋说道:

    文章没看完,因为太害怕了。现在才知道我对人类的未来持悲观态度,目前无法接受脑机接口,那会让我怀疑自己被杀死了,至少一部分被杀死了。

  20. 白左说道:

    假如你有N个复制品的话,只有一个会感觉自己被杀死了

    了解自己
    这个看似简单的成年礼很可能无解阿

  21. nk说道:

    霍金泄露了天机 所以遭天谴了!!!

  22. Todd说道:

    期待超人时代~~

  23. minghechangnian说道:

    如果有一天有人通过脑机接口技术发明一种无线信号发生装置 可以远程操纵世界上所有人的思想的话人类的黑暗时代来临了(或者不是某个人在操纵 而是类似于天网的装置在操纵)
    任何技术都是双刃剑

  24. zzzuz说道:

    恐怖啊~~~~~~~~~~~

  25. 说道:

    嗯~~我是一高三学生,很喜欢生物,希望以后有机会请教

  26. dong说道:

    我有点好奇,霍金有用eeg么?还是其他技术?为什么要植入电极?植入芯片又有什么作用? 哈哈,以后用脑子控制机器人拉。

  27. dong说道:

    我有点好奇,霍金有用eeg么?还是其他技术?为什么要植入电极?植入芯片又有什么作用? 哈哈,以后用脑子控制机器人拉。

  28. cold说道:

    我觉得写的很好!最后那个图很重口味啊……

  29. zz说道:

    这个有没有延时啊,这样的话打游戏更加快了。哈哈

  30. ASIMO说道:

    基本上以后人体就没有什么存在的意义和必要了。 如果哪天人脑的结构或者功能也可以用计算机来模拟的话,基本上人这个物种就消亡了。
    技术自有其生命力,我们发明技术,制造技术。但是反过来也被技术控制,如果能跟上技术的发展并控制其应用,那么我们就是掌握技术,如果不能就被淘汰。
    但是,某天,无机物组成的设备从功能上能替代人,而且因为无机物的存在没有人这么麻烦,速度也越来越快,那么是不是人就会被替代了。或者最后会出现终结者那样的场面。
    这个是不是也是自然进化的规律,人作为一个物种不过是自然漫长的进化过程中的过客?

  31. 如斯人说道:

    自然科学与人文科学是人类前进的两支脚,要两只脚协同一致,人类才能真能的进步。

    自然科学探索人类能力的极限,而人文科学探索我们能承受什么样的极限。

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