如今的腦機接口給醫療帶來了奇迹。這是一個發生在診所之外的故事。
2019 年，加州大學舊金山分校(University of California, San Francisco)的神經外科醫生Edward Chang打開了一名綽号為“Pancho”的 36 歲男子的頭骨，在他的大腦表面放置了一層薄薄的電極。這些電極從控制嘴、喉和其他身體部位運動的運動神經元收集電信号，進而産生語言。在Pancho的頭部頂部植入一個小端口，将大腦信号傳輸給計算機。這種“腦機接口”(BCI)解決了一個棘手的醫學問題。
2003 年，加州葡萄園的田間勞工Pancho遭遇了一起車禍。據《紐約時報》報道，在接受手術幾天後，他患上了腦幹中風。這次中風使Pancho喪失了說話的能力。他隻能通過一個訓示裝置吃力地拼出一個字母來與人交流。經過配備有深度學習算法的計算機的訓練，可以解釋他的大腦活動，Pancho可以思考他想說的話，他們會出現在電腦螢幕上。科學家們稱這一結果“具有開創性”；Pancho則稱其為“改變人生”。
圖檔來源[8]
從幫助中風患者到賦予人們超能力，這條道路既不是直接的，也不是必然的。
BCIs 的臨床成功(與Pancho的故事相伴随的還有其他故事)似乎證明了未來主義者的觀點，即BCIs 可能很快就能增強健康人的大腦。最著名的是《奇點将至》一書的作者Ray Kurzweil斷言，神經科學、生物科學、納米技術和計算的指數級快速發展将會聯合起來，讓我們超越我們身體和大腦的限制。這一巨大轉變的主要部分将是能力遠超人類大腦的人工智能的崛起。Kurzweil認為，這兩種智能将融合形成強大的混合大腦，這将定義人類的未來，這是人類進化的必然。他預測，這将在2045年發生。
盡管Kurzweil設想的未來場景令人興奮，但它們是由現今存在的腦機混合技術能力帶回地球的。BCI 令人印象深刻，但從幫助中風患者到賦予人們超能力的道路既不是直接的，也不是必然的。
BCIs 的第一個偉大的進步出現在1998年，神經科學家Phil Kennedy将一個單電極插入癱瘓的中風幸存者Johnny Ray的大腦中，并制造出了第一個外部裝置的人類精神控制的例子。這使得“被鎖定” 的 Ray 能夠通過在大腦中移動光标來選擇電腦螢幕上的字母來進行交流，這也為Kennedy赢得了國際贊譽。
圖檔來源[9]
植入的 BCIs 也可以反向工作，引導外部電信号觸發特定的神經元。2021年，匹茲堡大學(University of Pittsburgh)的一個團隊将電極植入一名癱瘓男子的運動皮層，讓他能夠控制機械臂，并植入他的體感皮層，傳入的感覺沖動會激活神經元。當他用手臂抓住一個物體時，他通過機械手中的傳感器發送的信号感覺自己正在接觸和握住這個物體。這大大改善了對義肢的控制。
在另一個例子中，哥倫比亞大學生物醫學工程師Ken Shepard利用先進的納米技術建構了一個帶有65000個微電極的半英寸正方形的微型晶片。這一想法是将晶片放置在大腦視覺皮層的表面，并通過無線方式将攝像頭的資料發送過來，以恢複盲人的視力。如果該裝置通過人體試驗，它将代表着較早期使用較少電極工作上的一大進步，然而這也限制了相機可以發送到大腦的圖像品質。
奇點還遠未到來：普林斯頓大學神經科學家Michael Graziano說，要想增強整個大腦，或者實作将其内容上傳到電腦的科幻夢想，我們還有很長的路要走，“從幾十年到幾百年” 。圖檔來源：lassedesignen / Shutterstock。
在觸發感覺反應的同時，對大腦的電或其他輸入可以改變其功能，這一過程被稱為神經調節。在深部腦刺激(DBS)中，一個小型的“腦起搏器”被嵌入上胸部的皮膚下，并向放置在特定大腦區域的電極發送電脈沖。DBS 已被 美國食品藥品監督管理局(FDA) 準許用于治療帕金森病和管理癫痫發作，并已被用于治療慢性疼痛等其他疾病。
一些神經調控方法無需侵入性手術即可發揮作用。在經顱直流電刺激(tDCS)中，放置在頭皮上并連接配接到電池的電極會産生影響大腦活動的微弱電流。任何電子愛好者都可以制造這種簡單的裝置，而且可以找到低至125美元的商業模型。tDCS 尚未獲得FDA準許，人們擔心其不受監管的使用，但測試顯示，它有望緩解某些情況，改善大腦功能。2020年和 2022 年， FDA 準許了測試 tDCS 治療抑郁症療效的完整臨床試驗。
這些例子表明，記錄和影響大腦活動的能力如何有益于兩種疾病中喪失功能的人的身心。通往大腦的新途徑還提出了增強健康人身體的方法；例如，通過一種神經控制的外骨骼來提供比人類更強大的力量或速度。但這些技術能否增強人類的認知能力呢?人類和機器智能能否融合成一個更大的整體?
2011 年，微軟聯合創始人、大腦研究機構創始人Paul Allen和 AI 專家Mark Greaves宣布，奇點還遠未到來，并認為Kurzweil預測的2045年的重大重組“遙不可及”，尤其是因為我們不太可能這麼快就了解人類的大腦。在2022年，我們仍然處于了解大腦的初始階段。
然而，我們已經取得了令人難以置信的進展，我們知道了大腦的進展，這突出了我們還有多少工作要做。Kurzweil預測，成群的納米機器人将以前所未有的細節探索人類的大腦。我們離這項技術還遠着呢。相反，美國國家衛生研究院(National Institute of Health)的“大腦計劃”(Brain Initiative)已經籌集了5億美元，彙集了數百名科學家，利用現有的方法，如染色來揭示它們的形狀，對大腦的860億神經元進行地圖繪制和分類。與Kurzweil預測的人類智能軟體模型不同，歐洲一個在超級計算機上模拟大腦的 10 億歐元項目， 10 年後也隻模拟出小一千倍的老鼠大腦。
如今的BCI狀态，為奇點之路帶來了又一塊絆腳石。外科植入電極和 tCDS 等非侵入性方法存在嚴重缺陷。插入電線和矽晶片需要熟練的腦部手術，并有感染或附帶損傷的風險。植入物可能會在大腦潮濕的環境中惡化，接受者會尴尬地通過連接配接線綁在電腦上。電極隻會被植入像Pancho這樣接受臨床監測的患者身上。它們不是為了人體實驗而植入的，在健康人群中使用也不太可能很快獲得監管部門的準許。
技術的必要性不應該成為我們指導人類如何幫助自身進化的唯一指南。
科技公司已經宣布發明了改進的、侵入性更小的手術植入型腦機接口。Elon Musk創立的Neuralink，帶着他的宏偉抱負，承諾其BCI将幫助臨床醫生治療癱瘓患者，“可以擴充我們的能力、我們的社群和我們的世界。”不過，經過數年的發展，Neuralink 尚未開始人體試驗。另一家緻力于治療神經系統疾病患者的初創公司Synchron已經通過了國外的人體試驗，并剛剛開始了一項獲得FDA準許的試驗，該方法将電極植入大腦的天然血管中，而無需進行大手術。這兩項努力都将使用藍牙技術來消除大腦中的電線，提高可移植性。
圖檔來源[10]
另一種選擇是用非侵入性的方法來增強大腦。腦電描記術和tDCS可以通過放置在頭皮上的電極記錄和刺激大腦，其他非接觸手段則使用磁場、光或超聲。然而，它們也帶來了問題。與電極植入相比，一些非侵入性方法顯示出更低的空間分辨率和更嘈雜的資料。而且，盡管它們比腦部手術的風險更小，但其副作用，比如大腦長期發生的意外變化，還需要進一步的審查。
哈佛醫學院的Davide Valeriani和英國埃塞克斯大學腦機接口和神經工程實驗室的Cater inaCinel和Riccardo Poli在2019年發表了一篇總結綜述，回顧了目前正在進行的 BCIs 研究，該BCIs不僅是為重度殘疾患者設計的，而且是為一般的人類認知增強設計的。作者表明，目前研究人員和臨床醫師可以從10種不同的方法中選擇，以記錄或影響大腦活動并增強它。
其中一種大腦功能就是感覺。非侵入性BCIs在區分不同形狀、跟蹤多個物體以及在更複雜的任務中(檢視視訊剪輯并确定是否存在可能的威脅)的性能有所提高。決策能力是大腦的另一項重要功能，它利用了數種心理能力，并已得到廣泛研究。但使用非侵入性BCIs來改善決策的效果并不顯著。它們産生的資料噪音太大，除非它是通過測量值或來自幾個使用者的平均值。
随着人口老齡化，記憶和學習能力的增強是很重要的，同時也伴随着記憶喪失。研究表明，非侵入性刺激可以暫時改善空間記憶和短暫儲存資訊的工作記憶。一組實驗給出了記憶假體的線索，盡管這需要侵入性手術。維克森林浸信會醫學中心(Wake Forest Baptist MedicalCenter)、南加州大學(University of Southern California)等地的研究人員表明，對放置在大腦海馬區(海馬體)的電極進行電刺激，可以增強動物和人類受試者的記憶，他們的短期和長期記憶平均提高了36%。這項工作符合倫理标準，因為受試者是已經植入了控制癫痫發作的植入物的癫痫患者。
圖檔來源[10]
Valeriani、Cinel和Poli 預測，到2040年，大多數形式的非侵入性腦增強技術将進入普遍應用的現場測試階段，甚至可能成為可穿戴神經技術。到2040年，這些成就将代表着驚人的技術進步，但與人類大腦在2045年與AI融合，達到前所未有的能力的願景相比，這些成就并沒有那麼宏偉。目前的方法并不是想象中的大腦和機器的完全融合，而是隻影響大腦的部分，隻增強認知能力的某些方面，如感覺，而不是整個大腦。我們距離增強整個大腦，甚至實作将其内容上傳到電腦的科幻夢想，還有很長的路要走。
2019 年，普林斯頓大學神經科學家Michael Graziano解釋了其中的原因。他認為，思維上傳是會發生的，但前提是我們要模拟大腦中的860億個神經元，并通過100萬億個突觸(塑造全腦功能的“連接配接組”)再現它們的連接配接方式。Graziano寫道：“最瘋狂樂觀的預測認為，心智上傳将在幾十年内實作，但如果需要幾個世紀，我也不會感到驚訝。” 我最近問Graziano，由于神經科學正在迅速發展，三年後，他是否看到了任何可以改變他最初評估的進展。他的回答是：“幾十年到幾百年仍然是我的猜測。”
神經技術在不斷發展，但還不足以在2045年将人類帶入一個新階段。對技術未來的預測往往依賴于兩個假設：技術的命根子——新技術總會到來，一旦可用，人們就會開發并充分利用它；以及指數增長，以摩爾定律為例，摩爾定律指出，計算機晶片上的半導體數量大約每兩年翻一番。
對于神經技術來說，這兩種假設都不合理，也不合适。指數增長可能會達到一個平台期：我們可能已經處于晶片技術的極限，摩爾定律不再适用。技術的必要性不應該成為我們幫助人類超越其生物遺産進化的唯一指南。與晶片技術不同，神經技術從本質上影響着人們，從生病的、受傷的、殘疾的，到可能希望或不希望自己的大腦被通路的公民。在這裡，技術的必要性需要由社會制定的倫理必要性來調和，倫理必要性将會、也應該減緩大腦和機器的進化，直到我們知道它對人類有益。
Sidney Perkowitz是埃默裡大學坎德勒實體學名譽教授。他的最新著作是《實體學：非常短的介紹》 (2019 年，有聲讀物即将于2022年出版)和《科學素描：不同角度的宇宙》 (2022年)。
References
1. Moses, D.A., et al. Neuroprosthesis for decoding speech in a paralyzed person with anarthria. New England Journal of Medicine 385, 217-227 (2021).
2. Belluck, P. Tapping into the brain to help a paralyzed man speak. New York Times Magazine (2021).
3. Flesher, S.N., et al. Computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control. Science 372, 831-836 (2021).
4. Hutson, M. Updating the brain. ee.columbia.edu (2022).
5. Valeriani, D., Cinel, C., & Poli, R. Brain-computer interfaces for human augmentation. Brain Science 9, 22 (2019).
6. Wake Forest Baptist Medical Center. Prosthetic memory system successful in humans. Science Daily (2018).
7. Graziano, M.S.A. Will your uploaded mind still be you? The Wall Street Journal (2019).
8. https://nautil.us/weve-got-news-for-you-about-supercharging-your-brain-243328/
9. https://www.ee.columbia.edu/news/updating-brain