來源 | 摘編自《大腦傳》，[英]馬修·科布著，張今譯，中信出版集團，2022年3月出版。
馬斯克剛剛花440億美元吞下推特，就迫不及待在上面公布了他的腦機接口新進展。他透露，已經取得了美國食品藥品監督管理局的審批，将在今年進行人體試驗。
▲馬斯克透露将在年内進行腦機接口人體試驗
馬斯克稱，旗下專門研究腦機接口技術的公司Neuralink，能應對病态肥胖等健康問題，甚至還可以治療癱瘓、中風和腦損傷等。
Neuralink制定的未來五年的計劃，是讓人類不必使用語言，直接通過大腦進行交流。馬斯克還設想，人們能通過腦機接口把自己的“記憶”“意識”直接導出，或許有一天我們可以用U盤、存儲卡來存儲自己的“靈魂”，實作人的“意識永生”……
▲Neuralink腦機接口晶片植入（示意圖）
雖然很多網友認為，馬斯克又在“畫大餅”，但是腦機接口的前景确實不容小觑，Neuralink就是一個很好的證明。2016年創立的Neuralink，2017年取得了1.07億美元投資，不到6年，市值就超5億美元。
2019年，全球腦機接口市場規模已經達到了12億美元，到2020年，這一數字達到14.6億美元，預計2026年将達到27億美元，年複合增長率為12.4%。如果從腦機接口可影響到的應用領域來看，不論是醫療、教育還是消費，都将帶來遠超于十幾億美元的巨額市場空間。
▲馬斯克公布的猴使用腦機接口的實驗成果
但其實，美國加州大學洛杉矶分校教授雅克·維達爾在1973年首次提出“腦機接口”一詞時，并不受到重視。直到有實驗意外發現，對貓進行的相關實驗可以提高癫痫發作門檻值。
随後進行的單例研究同樣證明，類似的技術應用在癫痫患者身上的時候同樣能夠顯著降低癫痫大發作的幾率。這樣的研究在臨床領域引起了極大的關注，效仿者蜂擁而至。
短短五十多年，腦機接口已經在神經性疾病治療方面顯露出巨大先天優勢，和其他領域的廣泛應用場景。
腦機接口為代表的腦科學将改變人類未來
腦機接口技術在飛速進步。
世界上第一個人工耳蝸1978年問世，為聽障者帶來更好生活的福音。如今，人工耳蝸已經是最成功、臨床上最廣泛應用的腦機接口技術。
▲世界第一個人工耳蝸的發明者格雷姆·克拉克和使用者
2011年，美國布朗大學成功幫助四肢癱瘓多年的凱茜·哈欽森用意念驅動機械臂握住一個瓶子，慢慢地把它送到嘴邊，用吸管喝咖啡，然後把瓶子放回桌子上。這是14年來哈欽森第一次能夠完全憑自己的意志喝到飲料。這項實驗讓不少癱瘓人士燃起重新獨立生活的希望。
▲凱茜·哈欽森用腦控制機械臂
三年後的2014年，巴西世界杯開幕式上，14歲的高位截癱少年，身着“機械戰甲”，用意念控制下肢運動，完成了開球，可以說是非侵入腦機接口可穿戴裝置的一次成功展示。
1978年美國生物醫學研究者威廉·多貝利，将68個電極陣列植入到一位後天失明的殘障人士視覺皮層中，眼鏡上裝置一個小型照相機将信号發送到一台巨大的計算機以解碼，能使受試盲人感受到光。
到2020年，西班牙科學家已經使接入腦機接口的盲人戈麥斯能看到吸頂燈、人和印在紙上的字母、基本圖形，甚至能玩一款簡單小遊戲。
▲圖|戈麥斯戴着裝配有相機的眼鏡。不過，大腦植入裝置已經從她的腦中取出，因為它目前還是一種臨時裝置。
雖然已經取得的腦機接口的成果很令人振奮，但目前可實作的性能距離人們在科幻作品中的設想還有很長的路要走。
除了技術水準上的局限外，更關鍵的挑戰在于我們對大腦工作機制的了解還十分有限。腦科學領域學者對大腦工作機制的持續探索發現，是腦機接口系統實作的核心基礎。
近年來世界各國紛紛啟動腦計劃，如美國的BRAINInitiative、歐盟的HumanBrainProject、日本Brain/MindsProject。早在2018年，北京、上海兩地先後牽頭建設腦科學與類腦研究中心，拉開“中國腦計劃”的序幕，預計未來幾年，中國腦計劃可能會有數百億的投入。
相信在不久的将來，人類有望在腦研究方面取得突破性的進展，進而為腦機接口技術的進一步發展帶來全新的機遇。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心進階研究員仇子龍說：“進入21世紀後，腦科學以及與之相關的人工智能和腦機接口技術不僅是當下最前沿的科學領域，也是最有可能徹底改變人類社會未來的科學和技術。”
全人類都在期待着一場腦科學的革命，但是腦科學的突破面臨着兩個難題。
首先，腦的複雜程度超乎想象。人腦由十億數量級的細胞建構而成，是已知宇宙中最複雜的結構。我們面對的正是這樣量級的挑戰。
其次，盡管世界上各個實驗室擷取的與腦相關的資料如海嘯般湧來，但我們卻陷入了一場危機：将腦比做計算機的隐喻似乎已經失效，我們不知道該如何處理這些資料，也不知道該怎樣解讀這些資料。
人類素有用已知“隐喻”未知的習慣，“腦是機器”就是一個例子。在曆經液壓動力、發條裝置、電報網絡、電話交換機和目前的計算機後，這個“機器”隐喻已近強弩之末，下一步該向何處去？
但不要是以對腦科學的未來感到悲觀，因為在人類認識大腦的曆史上，這樣的困境曾多次出現。
最近的一次危機在19世紀70年代，将腦比做電報機的隐喻已不再适用，腦科學界疑慮叢生，許多研究者斷言意識的本質也許永遠都無法被破解。但是緊接着，将腦隐喻做計算機的方法橫空出世，人對腦的認知又進了一大步。
科學是不斷演進的，每一個時期的科學都是建立在對前一時期觀點的整合、拒絕或轉化上的。正确了解過去有助于明了目前的理論和架構的背景，甚至有助于想象未來會怎樣發展。
是以我們有必要思考，數千年來人類對大腦的認識經曆了怎樣的曆程？以前的經驗教訓又是否能讓我們更準确和全面地認識大腦？
腦科學研究的曆史脈絡
莎士比亞在《威尼斯商人》中發出疑問：“告訴我愛情生長在何方？是在頭部，還是在心房？”現在我們知道答案是“頭部”，但是曆史上“在大部分時間裡，我們都認為是心，而不是腦，才是産生思想和感受的基本器官”。
心
從史前時代到17世紀，科學家與智者們無法通過觀察得知大腦的真正功能，他們普遍認為，思想和情感來自心髒。比如，古希臘的亞裡士多德認為，心髒才是産生感覺與情緒的器官，大腦看上去遠不如時刻跳動的心髒更有活力。中國古代的先賢也持類似的觀點，是以我們才會有“傷心”“心碎”等描述情緒的詞語。
公元162年左右，古羅馬醫學家蓋倫提出了一個有關大腦的驚世駭俗的假說。蓋倫用一頭豬做了實驗。他剖開豬的胸膛，緊握住豬的心髒，豬仍在尖叫；但當打開豬的顱骨按住它的腦子，豬立刻失去了知覺。蓋倫據此提出了腦中心觀。
同時，蓋倫還提出了一個無比玄乎的概念——“精氣”（pneuma）。他認為，大腦産生的這種看不見摸不着的氣體能在神經中流動，進而控制全身的運動。
▲蓋倫用豬做實驗證明思想來自腦
自蓋倫之後，越來越多的研究證明，腦的複雜程度遠高于心髒，但是傳統的慣性和日常經驗的力量，使得人們仍然秉持着心髒中心的觀點。
生物電
到了17世紀，歐洲的思想家們越來越确信，是腦産生了思維。
在強調腦的重要性的人物中，最具影響力的是法國思想家笛卡爾。笛卡爾經過思考認為蓋倫是對的：大腦裡确實有可以快速移動的“精氣”，這些“精氣”控制着人體的運動和各種思考。在今天看來，這甚至可以看作是大腦反射弧的一個雛形。
17至18世紀，除了有引發實體學革命的牛頓力學，還有另一種力量的研究，它最終揭開了大腦的神秘面紗——電的研究。
到18世紀末，路易吉·伽伐尼、亞曆山德羅·伏打等意大利科學家率先揭示了生物體中電的奇妙力量。古老的“精氣”終于被找到了，那就是生物電。
▲伽伐尼用電使青蛙腿收縮
1844年出版的科普暢銷書《造物自然史的遺迹》寫道，腦、心智和電之間存在聯系，這可能是大衆已經對這種觀念有所了解的最重要的标志。
功能分區
除了生物電的革命性發現外，19世紀還有個廣為流傳的學說——顱相學。
顱相學的說法現在看上去十分荒誕不經，其主要觀點是，既然大腦是控制行為甚至性格和智力的重要器官，那大腦的結構必定會被包裹大腦的頭骨所反映，是以如果想知道一個人的性格乃至智力，摸摸腦袋或許就能判斷了。
很快，因為缺乏實驗結果的支援，顱相學從19世紀40年代後期開始衰落。但從科學的角度看，顱相學也并非一無是處。大腦的某種功能由特别的區域來控制，這一觀點後來被發現其實是能找到證據支援的。
1848年，美國鐵路勞工菲尼亞斯·蓋奇被鐵棍穿透頭顱，鐵棍從顴骨下面進入，從眉骨上方出去，緻使他的左眼失明。然而，他并沒有是以喪命，甚至都沒有經曆劇烈的疼痛。唯獨此後性情大變，蓋奇從一個模範紳士變成了一個刻薄、暴力、不可靠的人。
科學家受他的經曆啟發，提出了腦的功能分區。
▲菲尼亞斯·蓋奇拿着肇事鐵棍
在啟蒙時代的兩三百年時間裡，科學家建立起了包括生物電、功能分區等在内的一系列關于大腦的基本知識架構。而大腦研究真正成為科學的一個分支要等到19世紀末了，至此腦科學研究也進入了近現代階段。
神經元
1858年，德國病理學家菲爾紹提出“一切細胞來源于細胞”，這看似簡單的“細胞學說”，卻是對人類生長本質的重要假設。此後，瑞士解剖學家阿爾伯特·馮·科立克提出，腦和身體的其他部分一樣，也是由細胞組成的。
但對于神經細胞是如何組織到一起的這個問題，還是出現了重大的争議。這一争議持續到1888年，西班牙神經解剖學家聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾提出了神經元學說。
卡哈爾的神經元學說讓腦科學的研究真正進入了快車道。由于糾正了大腦裡的細胞是連通的這一錯誤學說，并繪制出如今都令現代人歎為觀止的大腦細胞染色圖，卡哈爾一直被現代腦科學工作者奉為鼻祖。
▲卡哈爾觀察并繪制的神經元
卡哈爾和其他一些研究者發現，神經元都是獨立的結構，而且大家都知道有某種電荷通過神經元，從樹突傳遞到軸突，就像電報或電話資訊通過電線傳遞一樣。但是神經元之間的電流是如何傳輸的呢？
1897年，英國諾貝爾生理學或醫學獎得主查爾斯·謝靈頓提出了突觸概念，并認為神經元與神經元之間在這個部位進行資訊溝通，由此成為了了解神經沖動傳遞方式的突破。
1952年，英國科學家艾倫·霍奇金和安德魯·赫胥黎，巧妙地使用一種烏賊發現了細胞電傳導的規律，這就是霍奇金-赫胥黎方程，這個方程式解釋了神經元放電的基本規律。
這個真正革命性的發現揭示了神經元放電的原理，基本上就是鈉、鉀離子的跨膜流動。自這個發現起，神經生理學作為一門新興的學科，正式走進了科學的殿堂。
腦是機器？
1665年，巴黎，丹麥解剖學家尼古拉斯·斯丹諾向思想家們做了一次演講。斯丹諾大膽地指出，如果我們想要了解腦的功能以及腦的運作方式，而不單單是描述其組成部分，那麼我們就應該将腦視為一台機器，并拆解開來觀察其如何運轉。
這是一個革命性的理念。在此後的350多年裡，我們研究腦的方式一直都遵循着斯丹諾的建議。他的遠見卓識深刻地影響了其後幾個世紀的腦科學研究，并且是我們對腦這個非凡器官的認知能夠取得顯著進步的根源所在。
人類素有用已知“隐喻”未知的習慣，是以随着腦科學的新發現，對腦的隐喻也在不斷更新。
人們早前對思維的誕生有着模糊的機械隐喻；建立了腦活動以電為基礎的認識後，誕生了用電池理論為基礎來描述人類心智的原理；謝靈頓對腦的觀點，最初使用了一些類似于蒸汽機的隐喻，接受了卡哈爾的神經元學說後，則更傾向于電報系統的隐喻，但是漸漸地，這種隐喻也不夠用了。
突觸傳遞的發現豐富了我們對神經功能的了解，但與此同時也凸顯了一個重大的難題：應該用什麼樣的新隐喻來了解腦的這種工作機制？直到1940年，美國數學家沃爾特·皮茨和神經學家沃倫·麥卡洛克催生了如今用來解釋腦工作機制的最常見隐喻：腦是一台計算機。
不過事實上，人類對神經系統和電子機器間聯系的最初認知是反過來的：人們認為計算機是一個腦。在20世紀的腦科學研究中，試圖運用機器來模拟并接近人類的智能。這個領域的先驅的思考推動了電子計算機的誕生。
科學家一直希望用計算機來模拟大腦的工作過程，然而模拟腦的一系列努力在半個多世紀的時間裡一直雷聲大雨點小，進展緩慢。
直到21世紀伊始，機器學習算法的橫空出世，以及不斷增長的計算機算力在某些領域開始與人類的智能相匹敵，人工智能時代終于到來了。
未來腦科學的挑戰
回顧腦研究數千年的發展史會發現，與其他生命科學領域相比，腦科學領域具有很有趣的特點。這些獨特性決定了科學家在接下來的一百年裡将面臨的主要挑戰。
一個挑戰是剖析大腦的結構。
相比于心髒、腸胃等器官，大腦的結構顯然是最複雜的。深入到分子和細胞水準去剖析如此複雜的構造，是科學家尚未解決，在未來的一個世紀中将會面臨的最大挑戰。
面對這個挑戰，科學家們先後提出了幾種解決方案，比如其實已經失敗的第一代大腦連接配接組計劃。科學家們在十多年前提出了這個計劃，希望用電子顯微鏡來重構大腦，結果用了超過5年的時間才将小鼠大腦中一塊體積為0.013立方毫米的區域搞明白。
小鼠大腦中的神經元多達7000萬個，目前最全面的小鼠神經元連接配接圖譜也僅僅重建了不到2000個小鼠神經元的連接配接，而人的大腦有1000億個神經元！這顯然是個不可能完成的任務。
腦研究面臨的另一個挑戰是解析大腦的工作原理。
大腦的結構雖然極其複雜，但剖析腦的結構畢竟還隻是一個工程問題，哪怕可能要花上人類幾百年的時間，至少看上去還是能實作的。科學家們真正面臨的嚴峻考驗是搞清楚大腦具體的工作原理。
比如，記憶是如何産生并存儲的；人類的意識與其他動物有何不同，讓人類具有人之為人的獨特性；此外，人類的複雜行為甚至精神狀态是如何被控制的？更别說目前讓醫生和科學家都束手無策的衆多腦疾病——阿爾茨海默病、精神分裂症、自閉症等的具體機制了。
大腦研究皇冠上最耀眼的明珠就是這些進階認知功能的原理。對于這些問題，我們目前還沒有令所有人滿意的答案。我們都在期待真正“革命性”發現的到來。
《大腦傳》
[英]馬修·科布 著，張今 譯
中信出版集團，2022年3月出版
本文摘編自《大腦傳》，本書以腦的隐喻為切入點，介紹了人類在大腦認知史上的多個裡程碑，以及那些做出偉大發現的科學家，講述了腦科學研究對計算機、人工智能等領域的誕生和發展産生的深遠影響。