脑机接口给医疗带来了奇迹

如今的脑机接口给医疗带来了奇迹。这是一个发生在诊所之外的故事。

2019 年，加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的神经外科医生Edward Chang打开了一名绰号为“Pancho”的 36 岁男子的头骨，在他的大脑表面放置了一层薄薄的电极。这些电极从控制嘴、喉和其他身体部位运动的运动神经元收集电信号，从而产生语言。在Pancho的头部顶部植入一个小端口，将大脑信号传输给计算机。这种“脑机接口”(BCI)解决了一个棘手的医学问题。

2003 年，加州葡萄园的田间工人Pancho遭遇了一起车祸。据《纽约时报》报道，在接受手术几天后，他患上了脑干中风。这次中风使Pancho丧失了说话的能力。他只能通过一个指示装置吃力地拼出一个字母来与人交流。经过配备有深度学习算法的计算机的训练，可以解释他的大脑活动，Pancho可以思考他想说的话，他们会出现在电脑屏幕上。科学家们称这一结果“具有开创性”；Pancho则称其为“改变人生”。

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从帮助中风患者到赋予人们超能力，这条道路既不是直接的，也不是必然的。

BCIs 的临床成功(与Pancho的故事相伴随的还有其他故事)似乎证明了未来主义者的观点，即BCIs 可能很快就能增强健康人的大脑。最著名的是《奇点将至》一书的作者Ray Kurzweil断言，神经科学、生物科学、纳米技术和计算的指数级快速发展将会联合起来，让我们超越我们身体和大脑的限制。这一巨大转变的主要部分将是能力远超人类大脑的人工智能的崛起。Kurzweil认为，这两种智能将融合形成强大的混合大脑，这将定义人类的未来，这是人类进化的必然。他预测，这将在2045年发生。

尽管Kurzweil设想的未来场景令人兴奋，但它们是由现今存在的脑机混合技术能力带回地球的。BCI 令人印象深刻，但从帮助中风患者到赋予人们超能力的道路既不是直接的，也不是必然的。

BCIs 的第一个伟大的进步出现在1998年，神经科学家Phil Kennedy将一个单电极插入瘫痪的中风幸存者Johnny Ray的大脑中，并制造出了第一个外部设备的人类精神控制的例子。这使得“被锁定” 的 Ray 能够通过在大脑中移动光标来选择电脑屏幕上的字母来进行交流，这也为Kennedy赢得了国际赞誉。

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植入的 BCIs 也可以反向工作，引导外部电信号触发特定的神经元。2021年，匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的一个团队将电极植入一名瘫痪男子的运动皮层，让他能够控制机械臂，并植入他的体感皮层，传入的感觉冲动会激活神经元。当他用手臂抓住一个物体时，他通过机械手中的传感器发送的信号感觉自己正在接触和握住这个物体。这大大改善了对义肢的控制。

在另一个例子中，哥伦比亚大学生物医学工程师Ken Shepard利用先进的纳米技术构建了一个带有65000个微电极的半英寸正方形的微型芯片。这一想法是将芯片放置在大脑视觉皮层的表面，并通过无线方式将摄像头的数据发送过来，以恢复盲人的视力。如果该设备通过人体试验，它将代表着较早期使用较少电极工作上的一大进步，然而这也限制了相机可以发送到大脑的图像质量。

奇点还远未到来：普林斯顿大学神经科学家Michael Graziano说，要想增强整个大脑，或者实现将其内容上传到电脑的科幻梦想，我们还有很长的路要走，“从几十年到几百年” 。图片来源：lassedesignen / Shutterstock。

在触发感觉反应的同时，对大脑的电或其他输入可以改变其功能，这一过程被称为神经调节。在深部脑刺激(DBS)中，一个小型的“脑起搏器”被嵌入上胸部的皮肤下，并向放置在特定大脑区域的电极发送电脉冲。DBS 已被美国食品药品监督管理局(FDA) 批准用于治疗帕金森病和管理癫痫发作，并已被用于治疗慢性疼痛等其他疾病。

一些神经调控方法无需侵入性手术即可发挥作用。在经颅直流电刺激(tDCS)中，放置在头皮上并连接到电池的电极会产生影响大脑活动的微弱电流。任何电子爱好者都可以制造这种简单的设备，而且可以找到低至125美元的商业模型。tDCS 尚未获得FDA批准，人们担心其不受监管的使用，但测试显示，它有望缓解某些情况，改善大脑功能。2020年和 2022 年， FDA 批准了测试 tDCS 治疗抑郁症疗效的完整临床试验。

这些例子表明，记录和影响大脑活动的能力如何有益于两种疾病中丧失功能的人的身心。通往大脑的新途径还提出了增强健康人身体的方法；例如，通过一种神经控制的外骨骼来提供比人类更强大的力量或速度。但这些技术能否增强人类的认知能力呢?人类和机器智能能否融合成一个更大的整体?

2011 年，微软联合创始人、大脑研究机构创始人Paul Allen和 AI 专家Mark Greaves宣布，奇点还远未到来，并认为Kurzweil预测的2045年的重大重组“遥不可及”，尤其是因为我们不太可能这么快就理解人类的大脑。在2022年，我们仍然处于了解大脑的初始阶段。

然而，我们已经取得了令人难以置信的进展，我们知道了大脑的进展，这突出了我们还有多少工作要做。Kurzweil预测，成群的纳米机器人将以前所未有的细节探索人类的大脑。我们离这项技术还远着呢。相反，美国国家卫生研究院(National Institute of Health)的“大脑计划”(Brain Initiative)已经筹集了5亿美元，汇集了数百名科学家，利用现有的方法，如染色来揭示它们的形状，对大脑的860亿神经元进行地图绘制和分类。与Kurzweil预测的人类智能软件模型不同，欧洲一个在超级计算机上模拟大脑的 10 亿欧元项目， 10 年后也只模拟出小一千倍的老鼠大脑。

如今的BCI状态，为奇点之路带来了又一块绊脚石。外科植入电极和 tCDS 等非侵入性方法存在严重缺陷。插入电线和硅芯片需要熟练的脑部手术，并有感染或附带损伤的风险。植入物可能会在大脑潮湿的环境中恶化，接受者会尴尬地通过连接线绑在电脑上。电极只会被植入像Pancho这样接受临床监测的患者身上。它们不是为了人体实验而植入的，在健康人群中使用也不太可能很快获得监管部门的批准。

技术的必要性不应该成为我们指导人类如何帮助自身进化的唯一指南。

科技公司已经宣布发明了改进的、侵入性更小的手术植入型脑机接口。Elon Musk创立的Neuralink，带着他的宏伟抱负，承诺其BCI将帮助临床医生治疗瘫痪患者，“可以扩展我们的能力、我们的社区和我们的世界。”不过，经过数年的发展，Neuralink 尚未开始人体试验。另一家致力于治疗神经系统疾病患者的初创公司Synchron已经通过了国外的人体试验，并刚刚开始了一项获得FDA批准的试验，该方法将电极植入大脑的天然血管中，而无需进行大手术。这两项努力都将使用蓝牙技术来消除大脑中的电线，提高可移植性。

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另一种选择是用非侵入性的方法来增强大脑。脑电描记术和tDCS可以通过放置在头皮上的电极记录和刺激大脑，其他非接触手段则使用磁场、光或超声。然而，它们也带来了问题。与电极植入相比，一些非侵入性方法显示出更低的空间分辨率和更嘈杂的数据。而且，尽管它们比脑部手术的风险更小，但其副作用，比如大脑长期发生的意外变化，还需要进一步的审查。

哈佛医学院的Davide Valeriani和英国埃塞克斯大学脑机接口和神经工程实验室的Cater inaCinel和Riccardo Poli在2019年发表了一篇总结综述，回顾了目前正在进行的 BCIs 研究，该BCIs不仅是为重度残疾患者设计的，而且是为一般的人类认知增强设计的。作者表明，目前研究人员和临床医师可以从10种不同的方法中选择，以记录或影响大脑活动并增强它。

其中一种大脑功能就是感知。非侵入性BCIs在区分不同形状、跟踪多个物体以及在更复杂的任务中(查看视频剪辑并确定是否存在可能的威胁)的性能有所提高。决策能力是大脑的另一项重要功能，它利用了数种心理能力，并已得到广泛研究。但使用非侵入性BCIs来改善决策的效果并不显著。它们产生的数据噪音太大，除非它是通过测量值或来自几个用户的平均值。

随着人口老龄化，记忆和学习能力的增强是很重要的，同时也伴随着记忆丧失。研究表明，非侵入性刺激可以暂时改善空间记忆和短暂保存信息的工作记忆。一组实验给出了记忆假体的线索，尽管这需要侵入性手术。维克森林浸信会医学中心(Wake Forest Baptist MedicalCenter)、南加州大学(University of Southern California)等地的研究人员表明，对放置在大脑海马区(海马体)的电极进行电刺激，可以增强动物和人类受试者的记忆，他们的短期和长期记忆平均提高了36%。这项工作符合伦理标准，因为受试者是已经植入了控制癫痫发作的植入物的癫痫患者。

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Valeriani、Cinel和Poli 预测，到2040年，大多数形式的非侵入性脑增强技术将进入普遍应用的现场测试阶段，甚至可能成为可穿戴神经技术。到2040年，这些成就将代表着惊人的技术进步，但与人类大脑在2045年与AI融合，达到前所未有的能力的愿景相比，这些成就并没有那么宏伟。目前的方法并不是想象中的大脑和机器的完全融合，而是只影响大脑的部分，只增强认知能力的某些方面，如感知，而不是整个大脑。我们距离增强整个大脑，甚至实现将其内容上传到电脑的科幻梦想，还有很长的路要走。

2019 年，普林斯顿大学神经科学家Michael Graziano解释了其中的原因。他认为，思维上传是会发生的，但前提是我们要模拟大脑中的860亿个神经元，并通过100万亿个突触(塑造全脑功能的“连接组”)再现它们的连接方式。Graziano写道：“最疯狂乐观的预测认为，心智上传将在几十年内实现，但如果需要几个世纪，我也不会感到惊讶。” 我最近问Graziano，由于神经科学正在迅速发展，三年后，他是否看到了任何可以改变他最初评估的进展。他的回答是：“几十年到几百年仍然是我的猜测。”

神经技术在不断发展，但还不足以在2045年将人类带入一个新阶段。对技术未来的预测往往依赖于两个假设：技术的命根子——新技术总会到来，一旦可用，人们就会开发并充分利用它；以及指数增长，以摩尔定律为例，摩尔定律指出，计算机芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。

对于神经技术来说，这两种假设都不合理，也不合适。指数增长可能会达到一个平台期：我们可能已经处于芯片技术的极限，摩尔定律不再适用。技术的必要性不应该成为我们帮助人类超越其生物遗产进化的唯一指南。与芯片技术不同，神经技术从本质上影响着人们，从生病的、受伤的、残疾的，到可能希望或不希望自己的大脑被访问的公民。在这里，技术的必要性需要由社会制定的伦理必要性来调和，伦理必要性将会、也应该减缓大脑和机器的进化，直到我们知道它对人类有益。

Sidney Perkowitz是埃默里大学坎德勒物理学名誉教授。他的最新著作是《物理学：非常短的介绍》 (2019 年，有声读物即将于2022年出版)和《科学素描：不同角度的宇宙》 (2022年)。

References

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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

10. https://neuralink.com/about/