隔空取物的“意念控制術(shù)”，這不是科幻｜黑科技拆解
撰文 | 李雷（中國(guó)科學(xué)院生物學(xué)博士、助理研究員）
● ● ●
2020年8月末，特斯拉汽車創(chuàng)始人埃隆·馬斯克召開(kāi)了一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)。在會(huì)議上，馬斯克展示了三只植入腦機(jī)芯片的小豬，人們可以通過(guò)顯示器來(lái)觀察豬的腦電波活動(dòng)，并預(yù)測(cè)其行為。
馬斯克的直播吸引了全球15萬(wàn)人的關(guān)注，人們紛紛討論，這種可以讀取小豬大腦信號(hào)的腦機(jī)接口技術(shù)到底發(fā)展得如何了？未來(lái)會(huì)因此有哪些改變？
其實(shí)，在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，馬斯克這場(chǎng)發(fā)布會(huì)更多像是一場(chǎng)演示給觀眾的表演，而真正核心的腦機(jī)接口技術(shù)，并沒(méi)有比此前推進(jìn)太多。
早在2014年，腦機(jī)接口就有了真實(shí)的應(yīng)用。在2014年6月12日圣保羅舉行的巴西世界杯開(kāi)幕式上，一個(gè)下身癱瘓的巴西少年，依靠大腦控制機(jī)械骨骼的運(yùn)動(dòng)，順利開(kāi)球，讓全球都目睹了這史詩(shī)級(jí)的一刻。而創(chuàng)造這一奇跡的，就是Miguel Nicolelis（米格爾·尼科萊利斯），美國(guó)杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授、法國(guó)科學(xué)院院士、巴西科學(xué)院院士、暢銷書(shū)《腦機(jī)穿越》作者、2014年巴西世界杯“機(jī)械戰(zhàn)甲”發(fā)明者。
站在腦機(jī)接口領(lǐng)域巔峰的人
為了讓癱瘓者重獲新生，尼科萊利斯教授成為國(guó)際“再次行走計(jì)劃”的負(fù)責(zé)人，并將自己的研究成果在巴西世界杯開(kāi)幕式上進(jìn)行了應(yīng)用。
他們首先用植入頭皮或大腦的電極來(lái)探測(cè)大腦的活動(dòng)，隨后將這些信號(hào)傳輸給佩戴者身上的電腦，再用電腦解析這些信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)指令。接下來(lái)，他們又為這位癱瘓少年設(shè)計(jì)了機(jī)械金屬支撐結(jié)構(gòu)的外骨骼，來(lái)驅(qū)動(dòng)少年的下肢。這樣一來(lái)，癱瘓少年的意念就能通過(guò)整套裝置傳輸?shù)綑C(jī)械戰(zhàn)甲上，驅(qū)動(dòng)機(jī)械戰(zhàn)甲運(yùn)動(dòng)，最后成功開(kāi)出這一球。
這一幕被全球數(shù)十億人觀看，引發(fā)了熱烈的全民討論。尼科萊利斯教授用實(shí)踐告訴所有人，他，是站在腦機(jī)接口這個(gè)領(lǐng)域的世界巔峰那個(gè)人。他被美國(guó)科普雜志《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)為全球最具影響力的20位科學(xué)家之一，其研究被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為10大最具突破性的科技創(chuàng)新之一。
那么，腦機(jī)接口是什么？尼科萊利斯教授又是如何在這個(gè)領(lǐng)域深耕的呢？
尼科萊利斯教授是在這個(gè)領(lǐng)域深耕了很多年的專家，他在解讀大腦信號(hào)上的卓越貢獻(xiàn)之一，就是設(shè)計(jì)研究出更加復(fù)雜、覆蓋大腦區(qū)域范圍更大的多電極分布方式來(lái)獲取神經(jīng)信號(hào)，并把腦機(jī)接口的應(yīng)用水平推到了“完全使用意識(shí)控制機(jī)器”的前沿。
在上世紀(jì)90年代，尼科萊利斯就用多電極分布的方式在小鼠上實(shí)驗(yàn)了神經(jīng)信號(hào)獲取腦機(jī)接口，成功解讀了小鼠的一些大腦活動(dòng)。接下來(lái)，尼科萊利斯將其應(yīng)用到靈長(zhǎng)類夜猴身上，解碼了夜猴的大腦活動(dòng)，并將其通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綑C(jī)械裝備上，結(jié)果在夜猴看不到的地方，機(jī)械臂成功重現(xiàn)了夜猴的運(yùn)動(dòng)方式。
有意思的是，他們進(jìn)一步將其應(yīng)用到恒河猴上，不過(guò)這一次是先把恒河猴和機(jī)械臂進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再讓機(jī)械臂實(shí)時(shí)模擬猴子的動(dòng)作。很快，猴子學(xué)會(huì)了這一套操作，并似乎在某種程度上理解了這種操控。接下來(lái)猴子就安靜不動(dòng)了，純粹依靠自己的意識(shí)來(lái)遙控機(jī)械臂，就仿佛機(jī)械臂長(zhǎng)在自己身上一樣。
這一研究首次實(shí)現(xiàn)完全使用意識(shí)來(lái)操作機(jī)器，可以說(shuō)開(kāi)辟了腦機(jī)接口實(shí)際應(yīng)用的先河，也為2014年在世界杯上展示的那一幕奠定了基礎(chǔ)。
當(dāng)然總的來(lái)說(shuō)，目前腦機(jī)接口的研究還處于起步階段，因?yàn)楹诵闹萍s因素在于如何解讀大腦的信號(hào)。
人類破解大腦的百年計(jì)劃
大腦是由無(wú)數(shù)神經(jīng)元構(gòu)成的一個(gè)組織，我們?nèi)粘５囊慌e一動(dòng)都受到大腦控制。而大腦的控制，以及大腦的思考和動(dòng)作，本質(zhì)上是神經(jīng)元信號(hào)在相互作用傳遞信息。
神經(jīng)元彼此之間無(wú)時(shí)無(wú)刻不在傳遞著電信號(hào)，每一個(gè)動(dòng)作都可以形成一個(gè)信號(hào)，最終形成了我們的意識(shí)。我們的每一個(gè)動(dòng)作，每一個(gè)思考都會(huì)形成非常多的電信號(hào)。
因此，只要我們破解了這些信號(hào)的傳遞過(guò)程，那么我們就可以破解人的意識(shí)，進(jìn)一步再把信號(hào)轉(zhuǎn)換為我們的機(jī)械操作。
不過(guò)，理想是美好的，現(xiàn)實(shí)是骨感的。大腦的電信號(hào)，無(wú)論是復(fù)雜程度，還是信號(hào)總量，簡(jiǎn)直是一個(gè)天量。哪怕我們簡(jiǎn)單的動(dòng)一下手指，皺一下眉頭，背后都是無(wú)數(shù)神經(jīng)元在活動(dòng)的結(jié)果。因此這些年來(lái)，我們甚至沒(méi)有破解出一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作的所有大腦信號(hào)。
不過(guò)，作為生命醫(yī)學(xué)科學(xué)的桂冠，全世界都在密切關(guān)注，并愿意為之付出巨大的努力。無(wú)論中西，都相繼開(kāi)啟了一系列大腦信號(hào)破解的項(xiàng)目工程，這些工程被譽(yù)為21世紀(jì)曼哈頓工程，預(yù)計(jì)需要100年的時(shí)間完成。
目前初步已經(jīng)在實(shí)施的計(jì)劃包括：
1、人類連接組項(xiàng)目（Human Connectome Project）
這是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院NIH從2009年開(kāi)始資助的一個(gè)5年項(xiàng)目，項(xiàng)目的目的是使用不同的腦成像技術(shù)（主要是靜息態(tài)功能磁共振，彌散磁共振成像，EEG、MEG等作為補(bǔ)充），繪制出不同活體人腦功能、結(jié)構(gòu)“圖譜”。
2、推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃（簡(jiǎn)稱“腦計(jì)劃”）
2013年4月2日由奧巴馬政府公布，該計(jì)劃旨在探索人類大腦工作機(jī)制、繪制腦活動(dòng)全圖，并最終開(kāi)發(fā)出針對(duì)大腦疾病的療法。
3、人腦工程研發(fā)計(jì)劃
將由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授亨利·馬克拉姆牽頭，來(lái)自世界各地的87個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)共同實(shí)施。這一項(xiàng)目計(jì)劃用十年時(shí)間，利用計(jì)算機(jī)制造“活”的人腦模型。具體而言，研究人員需將人類大腦切成8000片，而后利用高性能掃描儀進(jìn)行數(shù)字化處理，繪制人腦詳圖；同時(shí)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)描繪和模擬大腦所需的海量數(shù)據(jù)，最后將成千上萬(wàn)的神經(jīng)元模型形成局部模型，組裝為一個(gè)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)的、完整的人類大腦模型。
4、中國(guó)腦計(jì)劃
已獲國(guó)務(wù)院批示，并被列為“事關(guān)我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重大科技項(xiàng)目”之一，將從認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦和模擬腦三個(gè)方向全面啟動(dòng)。目前中科院的九個(gè)卓越中心里，涉及到生物和醫(yī)學(xué)的唯一中心就是依托上海生科院的“腦科學(xué)及智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心”。
盡管徹底完成對(duì)大腦信號(hào)連接的解讀需要耗費(fèi)數(shù)十年甚至上百年，但是并不等于我們需要等到最終完成的那一天。事實(shí)上，這些年來(lái)，對(duì)于大腦信號(hào)連接的解讀一直沒(méi)有停滯。
比如在2013年，科學(xué)家利用功能性磁共振成像技術(shù)將志愿者睡眠時(shí)的大腦活動(dòng)記錄下來(lái)，整理出3人睡夢(mèng)中的一些常見(jiàn)內(nèi)容，比如樹(shù)、男人等，并將這些內(nèi)容分成大約20個(gè)類別；然后又與3人清醒狀態(tài)下見(jiàn)到相似場(chǎng)景時(shí)的腦活動(dòng)相比較，得出每個(gè)類別的腦活動(dòng)特征。
最終結(jié)果是，研究人員開(kāi)發(fā)的電腦程序能學(xué)習(xí)、識(shí)別并破譯出這些腦活動(dòng)特征，準(zhǔn)確率高達(dá)60%。這是一個(gè)非常淺顯的、就像我們看小孩子玩泥巴似的實(shí)驗(yàn)，但是是一個(gè)非常重要的證據(jù)，證明我們的大腦活動(dòng)是可以被理解和解讀的。
可以預(yù)期的是，未來(lái)隨著我們對(duì)大腦連接的解讀進(jìn)一步加深，總有一天，我們會(huì)徹底破解大腦的秘密。而腦機(jī)接口的應(yīng)用也將會(huì)一馬平川——
未來(lái)肢體受損的人，不單單是更換一個(gè)假肢，而是一個(gè)真正可以用大腦控制的肢體，不僅跟我們自身的肢體一樣易用，而且還更耐用且可更替；人類也可以用意識(shí)直接來(lái)控制更多的機(jī)器，比如在發(fā)生地震、火災(zāi)等災(zāi)害的地方，再也不需要消防員親自進(jìn)入，而是可以通過(guò)專業(yè)消防人員的意識(shí)，來(lái)操控機(jī)器來(lái)進(jìn)行靈活的救援。
顯然，這是一個(gè)非常值得期待的未來(lái)。
注：11月7日，騰訊科學(xué)WE大會(huì)上，Miguel Nicolelis教授及數(shù)位全球頂尖科學(xué)家將為大家分享最新科學(xué)突破。
制版編輯 | 栗子
