北大院長解讀馬斯克「讀腦術(shù)」的來龍去脈
Neuralink Progress Update, Summer 2020視頻截圖
圖源：Neuralink官網(wǎng)
撰文 | 周程（北京大學(xué)哲學(xué)系教授、醫(yī)學(xué)人文學(xué)院院長）
責(zé)編 | 李珊珊
北京時(shí)間8月29日凌晨，特斯拉CEO馬斯克在美國舊金山展示了一套腦機(jī)接口新設(shè)備——一枚只有硬幣大小，擁有 1024 個(gè)信道，可置于顱骨內(nèi)側(cè)，讀取腦神經(jīng)活動信息，實(shí)時(shí)無線傳輸腦電波數(shù)據(jù)的芯片；一臺可以避開血管，在顱骨上開一小孔，將芯片快速、精準(zhǔn)地植入預(yù)定位置的外科手術(shù)機(jī)器人。馬斯克還列舉了腦機(jī)接口技術(shù)有可能解決的疾病——聽覺或視覺障礙、失憶、抑郁、癲癇、中風(fēng)等。他認(rèn)為，使用腦機(jī)接口技術(shù)，不僅可以召集特斯拉，玩虛擬游戲，還可以存儲或替換記憶，甚至直接通過大腦交流就可以實(shí)現(xiàn)“心靈感應(yīng)”，至于將人的意識數(shù)字化，高保真地上傳給電腦，在“云”中實(shí)現(xiàn)“永生”也并非天方夜譚。
圖源：Unplash
馬斯克對腦機(jī)接口技術(shù)的憧憬，吸引了媒體界的廣泛關(guān)注。不過，這項(xiàng)腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展前景被不少媒體嚴(yán)重夸大了，仿佛借助該項(xiàng)技術(shù)人腦與電腦互聯(lián)，腦力指揮機(jī)器、完整上傳意識指日可待。稍微考察一下讀腦技術(shù)的發(fā)展歷程，就會發(fā)現(xiàn)，在可預(yù)見的未來，這些都沒有可能化為現(xiàn)實(shí)。
如何讀取你的腦？
通過腦機(jī)接口讀腦這件事，盡管聽上去十分復(fù)雜，但其基本原理相當(dāng)簡單。
讀腦的關(guān)鍵在于推測出與大腦的某種活動對應(yīng)的心靈活動或行為表現(xiàn)。因此，讀腦需要首先繪制出一副大腦活動與心靈活動或行為表現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系圖。這張關(guān)系圖就像一個(gè)映射，左邊是我們大腦的各種活動狀態(tài)，右邊是我們心靈的各種活動狀態(tài)或行為的各種表現(xiàn)形式。有了這張關(guān)系圖，只要探測出一個(gè)人的大腦活動狀態(tài)，我們就可以順著映射找到該個(gè)體所處的心靈活動狀態(tài)或當(dāng)時(shí)的外在行為表現(xiàn)。
但問題在于，如何才能獲得這種關(guān)系圖？
我們可以讓個(gè)體處于某種心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)之中，然后把此時(shí)的大腦活動與基準(zhǔn)狀態(tài)下的大腦活動進(jìn)行對比，如果大腦的某個(gè)或某幾個(gè)區(qū)域異?；钴S，那么我們就推定這個(gè)或這些區(qū)域的活動與該心靈活動或行為表現(xiàn)相關(guān)。
畫張關(guān)系圖，這聽上去很簡單，然而，原理簡單并不意味著讀腦技術(shù)的發(fā)展就會一帆風(fēng)順。因?yàn)榭茖W(xué)中存在很多“原則上”可行但實(shí)際上很難操作的情形。
例如，如何測定大腦的活動？測定大腦活動的理想方法應(yīng)該是在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間截面上從多個(gè)維度精確測定大腦中每個(gè)神經(jīng)元的活動狀態(tài)，而這在今天的技術(shù)條件下是難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槟壳皩?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一可能的辦法就是把大腦打開，而這顯然是不符合生命倫理規(guī)范的。不僅如此，即便我們真的這么做了，由于大腦中的神經(jīng)元數(shù)量驚人，我們獲得的數(shù)據(jù)必然是海量的，而這樣海量的數(shù)據(jù)在今天的技術(shù)條件下是很難得到妥善分析和處理的。
于是，人們只能通過一些間接指標(biāo)來考察大腦的活動狀態(tài)，例如腦電波強(qiáng)度、腦血流量和血氧飽和水平等。這便形成了讀腦技術(shù)的幾大門派。
用這些間接指標(biāo)描述大腦的活動狀態(tài)雖然有效，但不夠完整。而且，在不能與神經(jīng)元親密接觸的情況下測出的數(shù)據(jù)，也不夠準(zhǔn)確。所以，讀腦技術(shù)雖然進(jìn)步迅速，但要真正成氣候尚需時(shí)日。
讀腦術(shù)的進(jìn)化
圖源：Unplash
如果按照腦成像的結(jié)果來區(qū)分，讀腦技術(shù)可以劃分為腦結(jié)構(gòu)成像技術(shù)和腦功能成像技術(shù)兩大類，前者關(guān)注的是大腦不同區(qū)域的空間關(guān)系，如哪些區(qū)域與哪些區(qū)域毗鄰等，而后者關(guān)注的是不同區(qū)域間的功能關(guān)系，如哪些區(qū)域共同實(shí)現(xiàn)某一大腦功能等。如果按照電極的植入位置，譬如顱骨內(nèi)、顱骨上、頭皮上來區(qū)分，讀腦技術(shù)又可以劃分為侵入式、半侵入式和非侵入式三大類，植入顱骨內(nèi)或放在顱骨上的屬于有創(chuàng)技術(shù)，其受試者一般為病人；放在頭皮上的屬于無創(chuàng)技術(shù)，其受試者多為健康人群。
在各種讀腦技術(shù)中，腦電圖、正電子放射斷層掃描和功能性磁共振成像最為常見。接下來，就簡單談?wù)勥@些技術(shù)的發(fā)展。
1、從大腦解剖到腦成像。
人體構(gòu)造
人們對腦的研究自古不斷，研究手段也隨著科技的進(jìn)步逐漸升級，有據(jù)可查的可以一直追溯到文藝復(fù)興時(shí)期對大腦的解剖學(xué)研究。維薩留斯1543年出版的著作《人體構(gòu)造》中就有不少大腦插圖。不過，腦科學(xué)研究的革命性變革發(fā)生在1861年。這一年，法國神經(jīng)學(xué)家保羅·布洛卡（Paul Broca）發(fā)現(xiàn)一名失語病人在左側(cè)額葉某處存在腦損傷，而這意味著大腦不同區(qū)域和大腦不同功能之間很可能存在某種對應(yīng)關(guān)系。今天，這種對應(yīng)關(guān)系對于我們來說似乎是常識，但在當(dāng)時(shí)卻并非如此，因?yàn)樵谀侵?，不少神?jīng)學(xué)家對特定腦區(qū)與特性功能之間的關(guān)聯(lián)持高度懷疑態(tài)度。
到了1873年，意大利科學(xué)家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）首創(chuàng)鉻酸鹽-硝酸銀染色法，這是發(fā)明最早的神經(jīng)元染色法。19世紀(jì)末，西班牙的圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）改進(jìn)了高爾基的染色法，從而獲得了更加清晰精美的大腦染色樣本。運(yùn)用這種染色方法，卡哈爾觀察了嬰兒的大腦樣本。他發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元之間并未連結(jié)成一體，而是相互之間存在一定的縫隙，今天我們知道這種縫隙就是突觸?？ü柕牧硪粋€(gè)重大貢獻(xiàn)在于他運(yùn)用其所發(fā)明的染色方法，僅憑一臺顯微鏡就為神經(jīng)元進(jìn)行了分類，而且這一分類在今天依然被神經(jīng)科學(xué)家們奉若經(jīng)典。
19世紀(jì)末，人們對大腦的觀測與理解不斷深入。例如，1875年，英國的理查德·凱頓（Richard Caton）首次記錄了兔腦神經(jīng)的電活動。1890年，人們就已經(jīng)知道血流量與血氧量的改變與神經(jīng)元的活動強(qiáng)度存在緊密關(guān)系。1918年，美國神經(jīng)外科醫(yī)生沃爾特·丹迪（Walter Dandy）在剛問世的X射線成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了腦室造影術(shù)。1927年，葡萄牙神經(jīng)科學(xué)家埃加斯·莫尼斯（Egas Moniz）又發(fā)明了腦血管成像技術(shù)，使得顱內(nèi)病變診斷更加準(zhǔn)確。
2、腦電圖
圖源：motion-eu.org
1929年德國人漢斯·貝加（Hans Berger）借助置于頭皮上的電極首次成功地測量到腦部的電活動，奠定了腦電圖技術(shù)發(fā)展的首座里程碑。此后貝加的實(shí)驗(yàn)結(jié)論被多人成功重復(fù)，于是該技術(shù)獲得了科學(xué)界的認(rèn)同。
腦電圖的工作原理是通過置于頭皮上的電極來記錄大腦內(nèi)部的電活動，這種電活動可通過示波器顯示出來。從人體表面無創(chuàng)探測到的生物電的電壓非常小，通常在100uV內(nèi)。如此低的電壓原本不足以達(dá)到顯示所需的電壓輸入要求，所幸電子三極管自20世紀(jì)初問世后獲得了快速發(fā)展，從而為微弱信號的放大奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。緊接著晶體管又于20世紀(jì)中葉問世，從而為有效消除市電對生物電信號的干擾創(chuàng)造了條件。今天，腦電圖技術(shù)已經(jīng)可以將電信號放大幾千倍，這在其誕生之初是難以想象的。
我們在腦電圖中可以觀察到形狀不同的波或節(jié)律，這些波或節(jié)律與人的心靈活動密切相關(guān)。當(dāng)人的心靈活動增強(qiáng)時(shí)，腦電圖節(jié)律就會增高，反之就會減慢。通過總結(jié)這些規(guī)律，研究者便可確定不同心靈狀態(tài)下大腦的腦電圖特征，進(jìn)而可通過某人的腦電圖特征反推出其當(dāng)前的心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)。
腦電圖的最大優(yōu)點(diǎn)在于其探測的是腦內(nèi)電信號，因此時(shí)間分辨率極高，可以達(dá)到毫秒級甚至亞毫秒級?；诖?，腦電圖常常被用來對受試者的大腦活動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。腦電圖最大的缺陷在于其空間分辨率比較低。一方面，置于頭皮上的電極探測的是電極下方的腦區(qū)內(nèi)上百萬個(gè)神經(jīng)元的協(xié)同放電，而非某個(gè)神經(jīng)元單獨(dú)的放電活動；另一方面，大腦活動產(chǎn)生的電場很容易受到來自多方的干擾，這些干擾不止來自環(huán)境，還可能來自大腦組織本身。因此，腦電圖的使用范圍和信號采集的準(zhǔn)確性受到了很大的局限。為提高空間分辨率和減少干擾，有必要將腦電圖裝置的電極置入顱骨上甚至顱骨內(nèi)?？梢哉f，馬斯克的侵入式腦機(jī)接口設(shè)備就是沿著這一技術(shù)軌道發(fā)展起來的。
3、正電子放射斷層掃描。
PET. 圖源：wiki
腦電圖在解析腦內(nèi)動態(tài)活動方面的良好表現(xiàn)，驅(qū)使研究者嘗試運(yùn)用各種其他方法將腦內(nèi)認(rèn)知過程可視化。1973年，英國電器工程師高弗雷·豪斯菲爾德（Godfrey Hounsfield）以阿蘭·柯馬克（Alan Cormark）提出的理論為基礎(chǔ)，發(fā)明了X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，亦即CT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)探測人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)。不過，CT技術(shù)只能告訴我們大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么，它不能告訴我們當(dāng)大腦處于某一意識狀態(tài)時(shí)，大腦的哪些區(qū)域以怎樣的順序參與了該意識狀態(tài)的形成。也就是說，CT只能顯示大腦的形，并不能揭示大腦的神。
解決這一問題的捷徑之一是把被放射性核素標(biāo)記過的物質(zhì)作為示蹤劑引入腦成像。由于受試者持續(xù)暴露在核素的輻射之中，健康會受到影響，所以用于人體研究的核素的半衰期要求非常短。問題是，半衰期這么短的核素基本上不可能存在于自然界中，以致于研究者們在很長一段時(shí)間內(nèi)都無法獲得符合條件的核素。1957年，醫(yī)用回旋加速器問世，使人工生產(chǎn)臨床研究所需的放射性核素成為可能。盡管西摩·凱提（Seymour Kety）等人隨即就開始嘗試把核素引入腦成像，但時(shí)過20年，放射性核素才得以與CT技術(shù)結(jié)合，正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)，亦即PET技術(shù)才宣告誕生。
PET的原理是通過檢測正電子來獲得有關(guān)大腦活動的信息。具體來說，研究者首先用發(fā)射正電子的核素（11C，1?O，1?F，13N等）標(biāo)記化合物，主要是葡萄糖和水，然后將其注入人體。這些帶有放射性的化合物會迅速集聚到大腦的血管中，當(dāng)大腦皮層的某個(gè)區(qū)域處于興奮狀態(tài)時(shí)，這些被標(biāo)記過的葡萄糖和水就會移向該區(qū)域。此時(shí)，只需在體外監(jiān)測正電子湮滅時(shí)發(fā)射的γ射線就可以獲得大腦不同區(qū)域興奮水平的功能性圖像。有了這一圖像，人們就可以反推出受試者當(dāng)下的心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)。
PET的靈敏度非常高，可形成腦功能的三維圖像，其空間分辨率在3-4毫米內(nèi)，定位相當(dāng)精確。由于使用正電子標(biāo)記的化合物作為示蹤劑，所以PET可以顯示人在完成特定任務(wù)時(shí)大腦的動態(tài)活動情況。
不過，PET技術(shù)也存在一些弊端。首先，跟腦電圖不同，PET是通過測量不同腦區(qū)的葡萄糖和水的含量來間接測量腦活動，因此其時(shí)間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于腦電圖。其次，考慮到放射性核素長期滯留在人體內(nèi)會對受試者產(chǎn)生傷害，PET通常采用的放射性核素半衰期多在幾分鐘以內(nèi)，這就導(dǎo)致PET無法用于長期讀腦。再次，PET成像時(shí)間較長，很難實(shí)時(shí)記錄認(rèn)知活動的演進(jìn)過程。最后，PET使用的放射性同位素是人工生產(chǎn)的，造價(jià)比較高，因此其成套設(shè)備一度被認(rèn)為是當(dāng)今世界上最昂貴的生物醫(yī)學(xué)影像機(jī)。
4、功能性磁共振成像。
哈佛新聞截圖（fMRI）
對于讀腦來說，無創(chuàng)、無放射性的活體腦功能檢測技術(shù)顯然更為理想，功能性磁共振成像，亦即fMRI的出現(xiàn)回應(yīng)了這種期待。
1946年，物質(zhì)的核磁共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，核磁共振與CT技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了核磁共振成像。因?yàn)镃T對于人體低密度組織，如大腦的成像效果并不理想，它的優(yōu)勢是對人體高密度組織，如骨骼的成像，而核磁共振成像恰好彌補(bǔ)了這一短板，它可以提供較為清晰的人體低密度組織圖像。不過，通用的核磁共振成像依然是結(jié)構(gòu)成像，而非功能成像，即它只能夠告訴我們大腦中有什么以及不同部位之間構(gòu)成了怎樣的空間關(guān)系，而不能告訴我們當(dāng)大腦執(zhí)行某一功能時(shí)，哪些腦區(qū)參與了這一功能的實(shí)現(xiàn)。直到1990年，基于核磁共振成像技術(shù)，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的日本科學(xué)家小川誠二等人根據(jù)腦功能活動區(qū)氧和血紅蛋白含量的增加導(dǎo)致磁共振信號增強(qiáng)的原理，得到了關(guān)于人腦的功能性磁共振圖像，進(jìn)而發(fā)明了今天獲得廣泛應(yīng)用的功能性磁共振成像技術(shù)。fMRI一經(jīng)問世就很快成了腦研究領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的一種腦功能檢測技術(shù)。
fMRI的工作機(jī)理依據(jù)的是血氧水平依賴效應(yīng)。具體來說，血液中的血紅蛋白以兩種形式存在，即脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白。其中，脫氧血紅蛋白是順磁性物質(zhì)，氧合血紅蛋白是逆磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)會引發(fā)磁場的不均勻性，進(jìn)而使磁共振成像的特征量T2延長。當(dāng)個(gè)體執(zhí)行某一認(rèn)知任務(wù)時(shí)，相關(guān)腦區(qū)就會興奮，以致這些區(qū)域的血流量會相應(yīng)增加，血流量的增加導(dǎo)致這些區(qū)域的T2值得到延長，而這種延長對應(yīng)到fMRI圖像上就是強(qiáng)信號。反過來，如果當(dāng)某一腦區(qū)不參與個(gè)體的某一認(rèn)知任務(wù)，那么該腦區(qū)的血流量就會相對較低，反映到fMRI成像上就是弱信號。于是，通過fMRI我們可以看到，當(dāng)個(gè)體處于某種心靈狀態(tài)時(shí)，哪些區(qū)域活動增強(qiáng)，哪些區(qū)域活動不變甚至減弱，進(jìn)而可推斷出哪些腦區(qū)的何種活動與該心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)相關(guān)。
與腦電圖和正電子發(fā)射斷層掃描相比，fMRI在時(shí)間和空間分辨率上的表現(xiàn)比較均衡。與正電子發(fā)射斷層掃描一樣，fMRI能夠較為精確地捕捉到大腦活動的變化發(fā)生在哪里。然而，fMRI實(shí)現(xiàn)這一功能的速度更快，這有助于分析發(fā)生速度極快的心理過程，如閱讀單詞和人臉識別等。由于fMRI不使用放射性物質(zhì)，所以它比正電子發(fā)射斷層掃描的風(fēng)險(xiǎn)低，成本也比較低。不過，fMRI也存在自身的短板。fMRI是通過探測血流量的變化來間接探測腦活動水平的變化，由于血流量的變化明顯滯后于腦活動變化，所以fMRI在時(shí)間分辨率上不及腦電圖。此外，fMRI要求受試者整個(gè)身體都處于掃描儀內(nèi)且不能隨意移動，這種不便在很大程度上限制了其被推廣為常規(guī)讀腦設(shè)備的可能。
讀腦術(shù)的局限
當(dāng)然，不論使用何種讀腦技術(shù)，目前的讀腦研究都只能揭示個(gè)體的大腦活動狀態(tài)與其某種心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)相關(guān)，但相關(guān)性不等于因果性，而且個(gè)體表現(xiàn)不等于群體表現(xiàn)。人與人之間存在著巨大的個(gè)體差異性，這種差異性在基因?qū)用嫔弦呀?jīng)獲得證實(shí)，而其在大腦層面上的存在也是可以想見的。人的大腦具有高度的可塑性，也就是說，我們所處的環(huán)境極大地影響著大腦神經(jīng)元的連結(jié)結(jié)構(gòu)和連結(jié)強(qiáng)度。這種可塑性當(dāng)然是進(jìn)化的結(jié)果，因?yàn)椴煌沫h(huán)境中存在著不同的生存問題，而不同的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在解決不同生存問題上的表現(xiàn)是存在著差異的。這種個(gè)體差異性不可避免地給讀腦研究帶來了挑戰(zhàn)。除了這些生理差異，受試者的情緒、記憶負(fù)荷等心理因素以及精神狀態(tài)、疲勞和注意力集中水平等也會影響讀腦的準(zhǔn)確性。
讀腦的關(guān)鍵在于得到一張心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)與大腦活動狀態(tài)之間的關(guān)系圖，個(gè)體差異性的存在意味著我們所獲得的上述關(guān)系圖可能僅僅適用于某個(gè)人群、某個(gè)家族，甚至僅僅適用于某個(gè)人。那么，我們究竟需要構(gòu)建多少張這樣的關(guān)系圖呢？或者說，我們究竟有沒有辦法構(gòu)建出一張具有普適性的關(guān)系圖呢？顯然，這些都還有待于深入研究。
與非侵入式讀腦技術(shù)相比，使用侵入式讀腦技術(shù)獲得的有關(guān)神經(jīng)元的活動數(shù)據(jù)更為精確。但是，將腦機(jī)接口植入人腦，尤其是顱骨內(nèi)，需要打開顱骨，而光是顱骨和頭皮之間就有十多層組織，頭骨和大腦之間還有三層薄膜，如何穿透這些組織而不引起出血等損傷？而且，人體免疫系統(tǒng)會自動識別侵入物，并立即派出免疫細(xì)胞把它包圍起來形成愈傷組織，該如何騙取免疫細(xì)胞的信任，讓芯片能夠正常存留在腦中持續(xù)發(fā)揮作用呢？還有，腦神經(jīng)元數(shù)量巨大，不往腦內(nèi)植入大量的電極，根本無法實(shí)施精確監(jiān)測。此外，將復(fù)雜的神經(jīng)元活動還原成簡單的腦電波數(shù)據(jù)，也存在方法論難題。重要的是，即使讀腦技術(shù)趨于完善，那也只能解決腦內(nèi)信息的讀取問題，而只有通過某種輸入實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)活動的有效干預(yù)，才有可能治療腦部損傷、視覺障礙等疾患。
由此看來，馬斯克的腦機(jī)接口新設(shè)備仍只停留在通過測定有限的腦電波數(shù)據(jù)來推測大腦的復(fù)雜意識活動的初級階段，換言之，它現(xiàn)在還只會捕風(fēng)捉影，只能采集部分神經(jīng)元發(fā)出的電磁信號，而且只能由腦到機(jī)單向傳輸神經(jīng)活動信息，距離將人的意識數(shù)字化，高保真地上傳給電腦，以及由機(jī)到腦對人腦的記憶進(jìn)行改寫，按照意愿對神經(jīng)活動進(jìn)行干預(yù)還有相當(dāng)漫長的路要走。
馬斯克是非常善于制造話題的商人，他此次發(fā)布的腦機(jī)接口技術(shù)并沒有實(shí)質(zhì)性地超越腦科學(xué)界的既有研究，就像他的BFK火箭技術(shù)并沒有超越NASA的既有技術(shù)一樣。然而只要把控好這類高科技話題，不時(shí)地推陳出新，他就能吸引更多戰(zhàn)略投資，持續(xù)推高公司股價(jià)，進(jìn)一步支持公司科研。但是全世界像馬斯克這樣既能夠制造話題“割韭菜”，又能真正推動一些前沿研究的商人并不多。
前沿腦科學(xué)研究耗資巨大，商業(yè)化程度也相對較低，特別是短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大躍進(jìn)的可能性有限，但腦機(jī)接口技術(shù)倫理值得提前深入研究——雖然這項(xiàng)技術(shù)短期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)大躍進(jìn)，但是一旦取得重大突破，絕對有潛力重塑人類歷史的進(jìn)程。
制版編輯 | 栗子
