《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》最新封面評(píng)前沿技術(shù)：腦機(jī)接口正等待遠(yuǎn)見者的到來

　　本期《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》共刊發(fā)封面文章 6 篇，全部關(guān)于腦機(jī)接口技術(shù)。機(jī)器之心節(jié)選了其中三篇分享給讀者，這三篇文章分別著眼于腦機(jī)接口當(dāng)下的進(jìn)展、從大腦中提取數(shù)據(jù)的方式、以及數(shù)據(jù)獲取后的使用方式進(jìn)行了解析。讀罷您將清楚地了解到腦機(jī)接口技術(shù)此刻所取得的成就、已經(jīng)應(yīng)用的領(lǐng)域、遇到的困難與挑戰(zhàn)等。

腦機(jī)接口

　　這聽起來像是科幻小說中才會(huì)出現(xiàn)的概念。

　　在日內(nèi)瓦 Wyss 生物和神經(jīng)工程中心里，實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備上閃爍著微光。一名實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員從培養(yǎng)箱中取出一塊孔板，每個(gè)孔中存有一小塊來人類干細(xì)胞的腦組織，腦組織底部排有電極陣列。屏幕顯示著電極正在提取的特征：放電神經(jīng)元的特征峰谷波形。

　　這些腦組織已經(jīng)脫離母體，我們卻仍能看到信號(hào)的產(chǎn)生，實(shí)在是件怪事。神經(jīng)元放電是生物智能的基礎(chǔ)，這些電信號(hào)聚合在一起，獲取記憶、引導(dǎo)動(dòng)作、整理思想。就在你讀這句話的時(shí)候，神經(jīng)元正在你的大腦中放電：理解頁面上的字母形狀; 把這些形狀變成音位，再把這些音位變成詞匯;并給這些詞賦予含義。

　　這樣的信號(hào)交響樂真叫人眼花繚亂。成年人腦中神經(jīng)元多達(dá) 850 億個(gè);其中，一個(gè)典型的神經(jīng)元與其他神經(jīng)元有 10000 個(gè)連接。人類正嘗試解開這些神經(jīng)元互相連接的方式，盡管這些研究正處于初期階段，但是，一旦大腦的秘密被解開，令人矚目的科研成果將紛至沓來。例如，通過解碼神經(jīng)活動(dòng)，我們能夠利用這些代碼控制外部設(shè)備。

　　人腦與機(jī)器直接溝通，需要一個(gè)腦機(jī)接口(BCI)做通道。其實(shí)，腦機(jī)接口的使用歷史可以被追溯至 2004 年，那一年，一個(gè)名為 BrainGate 的系統(tǒng) 被植入到 13 名癱瘓者的腦中。這個(gè)系統(tǒng)由布朗大學(xué)研發(fā)(其他一些科研院所也有類似的設(shè)備)，名為猶他電極陣列的小電極陣列被植入到運(yùn)動(dòng)皮層(大腦用于管理運(yùn)動(dòng)的一部分)中。這些電極對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果被植入者在其意識(shí)中試圖移動(dòng)手或胳臂，神經(jīng)元所釋放的電信號(hào)將通過電線從人的顱骨中傳送到解碼器，從而被轉(zhuǎn)換成各種各樣的系統(tǒng)，例如幫助被植入著移動(dòng)光標(biāo)、控制肢體等。

　　BrainGate 成功地讓一名中風(fēng)癱瘓的婦女用機(jī)械臂喝了無需借助看護(hù)者幫助的第一口咖啡。另外，利用該系統(tǒng)，一名癱瘓者能以每分鐘 8 個(gè)單詞的速度打字。更神奇的是，BrainGate 甚至能使癱瘓的四肢重新動(dòng)起來。今年，凱斯西儲(chǔ)大學(xué) Bob Kirsch 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究在 Lancet 上發(fā)表。該研究人為地部署了 BrainGate 系統(tǒng)用于刺激癱瘓者手臂的肌肉。結(jié)果，在一次自行車事故中癱瘓的 William Kochevar 八年來第一次做到了自己進(jìn)食。

　　大腦和機(jī)器之間的交互還以其他方式改變了生活。2014 巴西世界杯足球賽開幕式上，一名截癱男子用意念控制機(jī)器人外骨骼「機(jī)械戰(zhàn)甲」開球。最近的一項(xiàng)研究中，圖賓根大學(xué) Ujwal Chaudhary 和四名共同作者利用功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS)將紅外光束射入大腦，并對(duì)四名因 ALS 完全無法活動(dòng)的閉鎖綜合征患者提出「Yes or No」問題，患者在精神層面對(duì)這些問題進(jìn)行了回答，科學(xué)家以可辨認(rèn)的血氧合模式對(duì)患者的反應(yīng)進(jìn)行觀察。

　　神經(jīng)活動(dòng)可以被刺激和記錄。例如，人工耳蝸將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將電信號(hào)傳送到大腦中。又如，深度腦刺激利用電脈沖幫助帕金森患者控制行動(dòng)，這種電脈沖通過植入電極的方式進(jìn)行傳遞。這項(xiàng)技術(shù)也被用于治療其他運(yùn)動(dòng)障礙和精神健康問題。硅谷的一家名為 NeuroPace 的公司通過監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)，尋找癲癇即將發(fā)作的跡象，并對(duì)大腦施加電刺激加以阻止。

　　顯而易見，腦機(jī)接口也可以用于其他感官的輸入輸出。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員解構(gòu)了人類傾聽對(duì)話時(shí)顳葉(人腦中負(fù)責(zé)處理聽覺信息，也與記憶和情感有關(guān)的部分)的電活動(dòng);這些解構(gòu)出來的模式對(duì)應(yīng)著人們所聽到的單詞。而且，當(dāng)人類想象聽到某個(gè)單詞時(shí)，大腦也會(huì)產(chǎn)生類似的信號(hào)。這一研究有可能為那些失語癥患者(無法理解或表達(dá)語言的人)提供語音處理設(shè)備。

　　伯克利的研究人員還利用大腦中的血氧變化重建人們的觀影片段，盡管影像有些模糊。這一技術(shù)的逆向工程能夠被用作刺激盲人的視覺皮層，從而將圖像投射到他們的大腦中。

　　腦機(jī)接口的巨大發(fā)展?jié)摿蛦栴}相伴而生。當(dāng)下最先進(jìn)的科學(xué)研究正采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。Howard Hughes 研究所、Allen 研究所和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員開發(fā)了名為 Neuropixels 的硅探針，用于監(jiān)測(cè)小鼠和大鼠多種腦區(qū)域細(xì)胞水平的活動(dòng)。加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家已經(jīng)建立了這樣一個(gè)腦機(jī)接口，可以通過之前的神經(jīng)活動(dòng)預(yù)測(cè)斑馬雀將會(huì)唱什么歌。加州理工學(xué)院的研究人員對(duì)獼猴視覺皮層細(xì)胞展開研究，主要研究它們?nèi)绾尉幋a包括膚色、眼距在內(nèi)的 50 個(gè)不同人臉特征。因此，在給猴子展示人臉時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的腦信號(hào)，研究人員能以驚人的準(zhǔn)確率猜到猴子看到的是哪張人臉。但是，由于人腦更龐大、更復(fù)雜，加之政策監(jiān)管方面的原因，對(duì)人類大腦進(jìn)行科學(xué)研究非常困難。

　　即使腦機(jī)接口技術(shù)在人類方面有很多實(shí)驗(yàn)性的突破，它也很難轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐。連線雜志早在 2005 年就對(duì)當(dāng)時(shí)新推出的 BrainGate 系統(tǒng)進(jìn)行了一次非常轟動(dòng)的報(bào)道。在該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的早期，一家名為 Cyberkinetics 的公司嘗試將其商業(yè)化，但并未成功。此外，NeuroPace 花費(fèi)了整整 20 年時(shí)間開發(fā)技術(shù)、與監(jiān)管方進(jìn)行談判請(qǐng)求批準(zhǔn)，但據(jù)其預(yù)計(jì)，今年將只有 500 名癲癇患者能夠被植入該公司的電極并使用其系統(tǒng)。

　　時(shí)至今日，腦機(jī)接口技術(shù)仍需要專家操作。BrainGate 背后的關(guān)鍵人物之一，布朗大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家 Leigh Hochberg 教授稱：「如果必須讓一個(gè)神經(jīng)工程學(xué)碩士站在患者旁邊操作，這個(gè)技術(shù)就沒由太大的使用價(jià)值?！怪灰娋€穿過頭骨和頭皮，就會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)。植入物也可能在腦內(nèi)產(chǎn)生些許位移，這可能損害腦內(nèi)細(xì)胞，而這些細(xì)胞正是系統(tǒng)獲取信號(hào)的來源。大腦對(duì)外來異物的免疫反應(yīng)會(huì)在植入電極周圍產(chǎn)生瘢痕(原理類似皮膚結(jié)痂后細(xì)胞分裂過多產(chǎn)生的傷疤)，使系統(tǒng)效果變差。

　　而且，現(xiàn)有的植入物只能記錄大腦信號(hào)的很小一部分。例如，BrainGate 團(tuán)隊(duì)所使用的猶他電極陣列可能只是從這 850 億個(gè)神經(jīng)元中挑出幾百個(gè)觀察放電動(dòng)作。西北大學(xué)的 Ian Stevenson 和 Konrad Kording 在一篇發(fā)表于 2011 年的論文中表明，自 20 世紀(jì) 50 年代以來，可同時(shí)記錄的神經(jīng)元數(shù)量每 7 年翻一番(見圖表)。這個(gè)速度與集成電路領(lǐng)域的摩爾定律相差甚遠(yuǎn)。要知道，集成電路的計(jì)算能力每?jī)赡昃湍芊环?/p>

　　事實(shí)上，正是因?yàn)樯窠?jīng)技術(shù)很難走出實(shí)驗(yàn)室、走進(jìn)臨床實(shí)踐，日內(nèi)瓦的 Wyss 中心才得以存在。該中心負(fù)責(zé)人 John Donoghue 是 BrainGate 的拓荒者之一。他說，Wyss 中心是為那些有前景的想法而設(shè)計(jì)的，希望能幫助這些想法跨越若干「死亡之谷」。首先，這些想法要面臨財(cái)務(wù)問題：投資回報(bào)期長(zhǎng)、科技含量高，這就嚇退了大多數(shù)投資者。其次，在研發(fā)更好的腦機(jī)接口過程中，團(tuán)隊(duì)需要擁有跨學(xué)科的專業(yè)知識(shí)以及保持復(fù)雜的接口項(xiàng)目處于正軌的管理技能。另外，神經(jīng)科學(xué)本身還處于相對(duì)早期。Donoghue 博士說：「腦機(jī)接口的核心在于理解大腦的工作方式，但事實(shí)上我們并不理解?！?/p>

　　這種非凡成就和躊躇進(jìn)展的奇特混合，如今有了一個(gè)新的組成部分：硅谷。2016 年 10 月，通過出售其支付公司 Braintree 獲得巨款的企業(yè)家 Bryan Johnson 宣布投資 1 億美元，在 Kernel 創(chuàng)立了一個(gè)旨在「讀寫神經(jīng)編碼」的公司。Johnson 認(rèn)為，人工智能的興起需要伴隨著人類能力的同步升級(jí)?！鸽y以想象，到 2050 年，人類會(huì)處于一個(gè)無需主動(dòng)提升自己的世界?！顾@樣說道，并期待著人類能隨心所欲地獲得新技能，或者與他人心意相通。去年 2 月，Kernel 收購了 Kendall Research Systems，一家從事神經(jīng)接口工作的麻省理工學(xué)院的衍生公司。

　　Kernel 認(rèn)為，腦機(jī)接口技術(shù)是人類與人工智能協(xié)作的方式，以確保人類不會(huì)被人工智能征服。Kernal 并不是唯一持有這種想法的公司。2016 年，SpaceX 和特斯拉的老板 Elon Musk 創(chuàng)立了一家名為 Neuralink 的新公司，該公司正在努力創(chuàng)造各種新型植入體。他匯集了許多令人敬佩的聯(lián)合創(chuàng)始人，并設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即在 2021 年前開發(fā)殘疾人臨床使用的腦機(jī)接口。據(jù) Elon Musk 估算，為健全人設(shè)計(jì)的設(shè)備大約還需等待八到十年的時(shí)間。

　　Neuralink 并沒有具體說明到底在做什么，但 Wait But Why 網(wǎng)站中的一篇長(zhǎng)文章概述了 Elon Musk 的想法。在這篇文章中，他描述了人類之間彼此進(jìn)行更快速溝通的必要性，同時(shí)提到人類與計(jì)算機(jī)溝通的必要性，否則人類將被人工智能遺棄在塵埃中。文章提到了一些非凡的可能性：從云端立刻汲取知識(shí)，或把來自某個(gè)人視網(wǎng)膜的圖像直接輸入到另一個(gè)人的視覺皮層;創(chuàng)造全新的感官能力，如紅外視力、高頻聽力等; 最終，融合成為人機(jī)混合智能。

　　4 月份，F(xiàn)acebook 透露了一個(gè)創(chuàng)造「無聲語言(silent speech)」接口的計(jì)劃，引起業(yè)內(nèi)不小的討論。這一接口將允許人們直接利用意念每分鐘輸入 100 個(gè)單詞。一個(gè)由 60 多名研究人員組成的小組正在開展這個(gè)項(xiàng)目，其小組成員來自 Facebook 內(nèi)部和外部。一家獨(dú)立的初創(chuàng)公司 Openwater 也在研究一種非侵入性的神經(jīng)成像系統(tǒng)。其創(chuàng)始人 Mary Lou Jepsen 表示，該技術(shù)最終將能讀懂人腦。

　　腦機(jī)接口專家正紛紛擦亮雙眼，以迎接硅谷遠(yuǎn)見者的到來。他們說，神經(jīng)科學(xué)正在進(jìn)步中。一個(gè)有效的腦機(jī)接口需要許多學(xué)科的參與：材料科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、工程、設(shè)計(jì)等。要知道，臨床試驗(yàn)和監(jiān)管批準(zhǔn)沒有捷徑可走。

　　在上述一切中，懷疑論者是對(duì)的。許多大肆宣傳的雄心壯志看上去只是空想而已。不過，當(dāng)下仍是腦機(jī)接口的關(guān)鍵時(shí)刻： 大量的金錢涌入這個(gè)領(lǐng)域，研究人員正在嘗試多種方法。而 Elon Musk 呢，他尤其擅長(zhǎng)將宏大的愿景(如殖民火星)和實(shí)際的成功(通過 SpaceX 恢復(fù)和重新發(fā)射火箭)結(jié)合在一起。

　　我們清楚地知道，「黑客帝國(guó)」并非咫尺之遙，但腦機(jī)接口技術(shù)可能迎來巨大進(jìn)步。要做到這一點(diǎn)，最關(guān)鍵的是要找到一個(gè)更好的連接大腦的方式。

內(nèi)腦智能

　　尋找更輕巧、更安全、更加智能的大腦植入方式。

　　在與腦機(jī)接口的神經(jīng)科學(xué)家深入聊天后，他們經(jīng)常會(huì)做一個(gè)關(guān)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的類比。他們將大腦的神經(jīng)活動(dòng)與足球場(chǎng)人群制造的噪音進(jìn)行類比。在球場(chǎng)外面，你可能會(huì)聽到一些噪音，通過人們的叫喊聲，就可以猜測(cè)隊(duì)伍是否進(jìn)球得分。如果你是在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上空的飛艇上，你可以看到是哪個(gè)隊(duì)進(jìn)球了，以及有可能知道是哪位球員進(jìn)球了。而只有在球場(chǎng)里面，你才可以問某個(gè)球迷，進(jìn)球的詳情。

　　同樣地，對(duì)大腦來說，只有近距離地接觸腦活動(dòng)才能夠真正明白發(fā)生了什么事情。為了獲得高分辨率的信號(hào)，目前只能通過打開頭顱的方式，別無他法。一個(gè)可能的選擇是在大腦皮層的表面放上電極，這被稱為皮層腦電圖。另外一種方式是如同 BrainGate 的猶他電極陳列一樣，使用微電極網(wǎng)將電極嵌在大腦組織上。

　　人們能夠以多么近的距離利用單個(gè)的神經(jīng)元操作腦機(jī)接口，這是一個(gè)存在爭(zhēng)議的話題。對(duì)于患有帕金森綜合癥導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力失調(diào)的患者來說，醫(yī)生會(huì)用意大利面一樣粗的鉛棒和很大的電極對(duì)大腦組織進(jìn)行大范圍的深度刺激，這種治療方式一般被認(rèn)為是有效的。Newcastle 大學(xué)的 Andrew Jackson 認(rèn)為，皮層腦電圖在實(shí)施過程中會(huì)選擇一些神經(jīng)元，這些神經(jīng)元的活動(dòng)只能用來解碼一些簡(jiǎn)單的移動(dòng)信號(hào)，如想要抓某些東西或者抬一下胳膊。

　　但想要產(chǎn)生手指移動(dòng)這種更加細(xì)致的控制信號(hào)，則需要更高的精準(zhǔn)度?！高@是很微小的信號(hào)，許多神經(jīng)元都緊密地聚集在一起，一起發(fā)出信號(hào)?！蛊テ澅ご髮W(xué)的 Andrew Schwartz 說到。將這些神經(jīng)元聚集起來，會(huì)不可避免地導(dǎo)致細(xì)節(jié)的喪失。畢竟，在完成例如導(dǎo)航、面部識(shí)別等任務(wù)時(shí)，單個(gè)的細(xì)胞所承擔(dān)的功能非常細(xì)小。2014 年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了一個(gè)發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建大腦定位系統(tǒng)的細(xì)胞——GPS 細(xì)胞的研究。當(dāng)動(dòng)物到達(dá)某一個(gè)具體的地點(diǎn)，相應(yīng)的細(xì)胞就會(huì)發(fā)出信號(hào)。與之相類似的是「Jennifer Aniston 神經(jīng)元」的發(fā)現(xiàn)，靈感來自于看到特別的名人，單個(gè)的神經(jīng)元會(huì)做出反應(yīng)。

　　Neuralink 和 Kernel 等公司對(duì)腦機(jī)接口的前景非?？春?，通過腦機(jī)接口，思想、圖像和運(yùn)動(dòng)可以是無縫地編碼和解碼，這就要求腦機(jī)接口要有很高的分辨率。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)是五角大樓的下屬機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)今年將 6500 萬美元分配給 6 個(gè)組織，以創(chuàng)造較高分辨率的植入接口。BrainGate 和其它公司也在獨(dú)自進(jìn)行這種系統(tǒng)的研發(fā)。

　　這些研究人員所面臨的挑戰(zhàn)很巨大。完美的植入需具備安全，微小、無線、持久等特點(diǎn)。能夠高速轉(zhuǎn)移巨大的數(shù)據(jù)量。與目前的技術(shù)相比，這一技術(shù)需要與更多的神經(jīng)元進(jìn)行交互(DARPA 項(xiàng)目設(shè)立的目標(biāo)是到 2021 年能夠同時(shí)處理的神經(jīng)元數(shù)量要達(dá)到 100 萬)。而且它也需要應(yīng)付人腦環(huán)境，Wyss Centre 的 Claude Clément 將之比作海邊的叢林：咸濕、悶熱。「大腦并不是科技發(fā)揮的合適地點(diǎn)?！顾f。作為首席技術(shù)官，他應(yīng)該很知道這一點(diǎn)。

　　但這仍然沒有阻止人們進(jìn)行嘗試，創(chuàng)造更好的植入方式。人們有關(guān)這方面的研究可以分成兩個(gè)不同的范疇，第一種是在當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)微小有線電極，第二種是走向一種新型的非電方向。

　　先從讓電極變得更小、更加智能開始。Ken Shepard 是哥倫比亞大學(xué)電子生物醫(yī)藥工程專業(yè)的教授，他的實(shí)驗(yàn)室也受到了 DARPA 基金的資助，目標(biāo)是研發(fā)一種設(shè)備，通過精確地對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行刺激，在大腦內(nèi)產(chǎn)生圖像，幫助具有完整視覺皮層的盲人看見東西。他認(rèn)為，通過采用先進(jìn)的互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)電子器件，可以實(shí)現(xiàn)他的目標(biāo)。

　　Shepard 教授認(rèn)識(shí)到，任何需要嵌入的電極都會(huì)造成細(xì)胞損壞，因此，他想要構(gòu)建一種全新的接口模式，凌駕于所有接口設(shè)備之上，這種新的接口設(shè)備將被放在大腦皮層上面以及大腦細(xì)胞膜下面。他也創(chuàng)造了第一代 CMOS 芯片原型，大小 1cm×1cm，包含 65000 個(gè)電極;第二代更大的版本將容納 100 萬個(gè)傳感器。同其他想要試圖讓植入部件發(fā)揮作用的人一樣，Shepard 教授也不是僅僅只是將傳感器連接到芯片上，他需要添加同樣數(shù)量的放大器，這是一種轉(zhuǎn)換器，可以將潛在的行動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)器能夠理解的的數(shù)字 0 和 1，還需要放置一個(gè)無線鏈接，將數(shù)據(jù)發(fā)送(或接收)到頭皮上的中轉(zhuǎn)站。進(jìn)而通過無線的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送(或接收)到外部處理器上進(jìn)行解碼。

　　可植入設(shè)備的另外一個(gè)巨大的困難是設(shè)備需要進(jìn)行充電。在這個(gè)領(lǐng)域，沒有人對(duì)使用電池作為電源有信心。電池體積太大，電池液流進(jìn)大腦的風(fēng)險(xiǎn)也太高。和其他研究者一樣，Shepard 博士采用的是電感耦合的方式，電流通過一個(gè)線圈，創(chuàng)造一種磁場(chǎng)，可以將電流引導(dǎo)到第二個(gè)線圈(這種方式和電動(dòng)牙刷充電的方式類似)，這個(gè)動(dòng)作是由芯片上的線圈和中轉(zhuǎn)站完成。

　　在美國(guó)的西海岸，一家初創(chuàng)公司 Paradromics 也在使用電感耦合對(duì)可移植設(shè)備提供電源。但公司老板 Matt Angle 認(rèn)為單純地改裝接口并不會(huì)產(chǎn)生很高的分辨率。相反，他正在努力創(chuàng)造可以被放進(jìn)大腦組織的細(xì)小的玻璃束和金屬微線圈，有點(diǎn)像猶他電極，但擁有更多的傳感器。為了防止線繞在一起，減少需要處理的神經(jīng)元的數(shù)量，公司使用犧牲聚合物將它們分開;聚合物溶解了，但是線保持分離。它們綁定在高速 CMOS 線路上。明年，帶有 65000 個(gè)電極的設(shè)備將在動(dòng)物研究中進(jìn)行使用。

　　DARPA 的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)可以用在人類身上的 100 萬線設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)之前，Paradromics 還有很多的事情要做。首要的問題是處理大腦中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。Angle 博士認(rèn)為，最初的設(shè)備每秒產(chǎn)生 24Gb 的數(shù)據(jù)(Netflix 上一個(gè)超高分辨率的電影每小時(shí)的數(shù)據(jù)量是 7GB)。在動(dòng)物身上，這些數(shù)據(jù)可以通過一個(gè)數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)移到一個(gè)巨大的鋁制處理器上。但如果放在人的頭上看起來會(huì)很難看;此外，如此大量的數(shù)據(jù)在頭顱內(nèi)處理以及無線傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生太多的熱量。

　　因此，Paradromics，以及其它試圖創(chuàng)造一個(gè)更高寬帶信號(hào)的人，不得不找到一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮而且還不會(huì)損害信息傳送的數(shù)度和質(zhì)量的方式。Angle 博士認(rèn)為可以通過兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：第一，忽視動(dòng)作之間靜默的瞬間，而不是費(fèi)力地對(duì)這些無效的信息進(jìn)行解碼;第二，將特殊動(dòng)作的波型進(jìn)行描述，而不是記錄曲線上的每一個(gè)點(diǎn)。事實(shí)上，他將數(shù)據(jù)壓縮看成是公司最大的賣點(diǎn)，希望其他想要研發(fā)特殊腦機(jī)接口應(yīng)用或者假體的人只需簡(jiǎn)單地將他的數(shù)據(jù)壓縮方式應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中就行了?！肝覀儗⒆约阂暈樯窠?jīng)數(shù)據(jù)的脊梁骨，像高通或英特爾一樣?！顾f。

　　一些研究人員正試圖擺脫有線植入的想法。在布朗大學(xué)，Arto Nurmikko 正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)研發(fā)「神經(jīng)顆?！?，每一個(gè)顆粒如同糖粒一樣大小，可以放在大腦皮層上部或者植入到大腦內(nèi)部。每一個(gè)顆粒都有內(nèi)置的放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、以及可以將數(shù)據(jù)傳送到中轉(zhuǎn)站的裝置，中轉(zhuǎn)站通過感應(yīng)的方式給顆粒充電，并將信息傳到外部的處理器。Nurmikko 博士正在在嚙齒動(dòng)物上測(cè)試這一系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，希望最終能夠在大腦里放入數(shù)千個(gè)這樣的顆粒。

　　與此同時(shí)，在哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，Guosong Hong 正在展示另外一種創(chuàng)新性的接口。他把一個(gè)注射劑放在一杯水中，并在水中注射進(jìn)一個(gè)微小，閃著亮光的網(wǎng)?？雌饋碛幸环N奇特的美感。Hong 博士是化學(xué)教授 Charles Lieber 實(shí)驗(yàn)室的一名博士后;他們二人均致力于創(chuàng)造一種消除掉生物和電子學(xué)之間界限的神經(jīng)接口。他們的解決辦法是發(fā)明一種由柔然聚合物制成的多空網(wǎng)，叫做 SU—8，并裝有傳感器和感應(yīng)金屬。

　　這種網(wǎng)的設(shè)計(jì)可以解決多種問題，比如科學(xué)家們需要繞過對(duì)身體外部進(jìn)行反應(yīng)的免疫系統(tǒng)。通過對(duì)這種柔韌、輕軟的神經(jīng)組織進(jìn)行復(fù)制，允許神經(jīng)元和其它類型的細(xì)胞在其內(nèi)部進(jìn)行生長(zhǎng)，可以避免植入帶來的傷害。而且它占據(jù)的空間也很少，不到猶他電極總量的 1%。這一技術(shù)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中效果很好，下一階段，這種網(wǎng)會(huì)被放入對(duì)其它治療沒有反應(yīng)只能等著移除組織的癲癇患者的大腦內(nèi)。

　　在數(shù)英里之外的 MIT，Polina Anikeeva 實(shí)驗(yàn)室的成員也在試圖研發(fā)與神經(jīng)組織的物理屬性相關(guān)的設(shè)備。Anikeeva 是一名材料科學(xué)家，是斯坦福大學(xué) Karl Deisseroth 實(shí)驗(yàn)室第一個(gè)投身于神經(jīng)科學(xué)的人。斯坦福大學(xué)在光遺傳學(xué)方面具有領(lǐng)先地位，光遺傳學(xué)涉及基因工程細(xì)胞，可以根據(jù)光線進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)她第一次看到老鼠黏黏的大腦時(shí)，覺得大為震驚?！笇⒑苡袕椥缘男〉斗胚M(jìn)很有彈性的巧克力布丁當(dāng)中是一件很困難的事情，」她說。

　　她解決這一問題的方式是創(chuàng)造一個(gè)寬度在 100 微米的多空纖維，如同頭發(fā)絲一樣細(xì)小。這個(gè)設(shè)備比其它設(shè)備更加的緊密，但最主要的還是它可以進(jìn)行多重任務(wù)?！竷H僅有電流和電壓，電子是無法做這個(gè)事情的，」她說。意在說明，大腦交流不僅僅是涉及到電子，還涉及到化學(xué)。

　　Anikeeva 的傳感器使用的電極擁有一個(gè)負(fù)責(zé)記錄的通道，同時(shí)，它也可以利用光遺傳學(xué)的優(yōu)勢(shì)。第二個(gè)通道用來傳遞光敏感通道蛋白，這是一種藻類蛋白，通過將這種蛋白運(yùn)輸?shù)缴窠?jīng)元，神經(jīng)元也將具備光線敏感能力。第三個(gè)通道用來投射光束，以便這些被改變的神經(jīng)元能夠被激活。

　　光遺傳能否安全地應(yīng)用在人類身上?現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早，至少光敏感通道蛋白必須通過一種病毒才能夠被送入細(xì)胞中，另一個(gè)值得大家思考的問題是在大腦中投射光的最大安全劑量是多少。目前，人們正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，讓光感受器受損的人的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)變對(duì)光線敏感起來。DARPA 資助的另外一個(gè)機(jī)構(gòu)是位于巴黎的 Fondation Voir et Entendre，旨在使用技術(shù)將特殊眼鏡上的圖像直接轉(zhuǎn)移到盲人的視覺皮質(zhì)上。理論上來說，其它的感官也可以被恢復(fù)，有研究表明，老鼠的內(nèi)耳細(xì)胞會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生光學(xué)刺激，用來對(duì)聽力進(jìn)行控制。

　　Anikeeva 博士正在試驗(yàn)另外一種刺激大腦的方式。她認(rèn)為，虛弱的磁場(chǎng)可以穿透神經(jīng)組織。加熱被注入大腦中的磁性納米粒子，如果被更改的神經(jīng)元附近的熱感辣椒素受體被激活，增高的溫度將激活相應(yīng)神經(jīng)元。

　　除了電壓、光線、磁場(chǎng)，另外一個(gè)記錄并激活神經(jīng)元的備選方案是超聲。加州大學(xué)伯克利分校的 Jose Carmena 和 Michel Maharbiz，是這一方法主要的支持者。這一方法同樣涉及將細(xì)小的顆粒(他們稱之為「神經(jīng)塵?！?插入到組織中。超聲會(huì)對(duì)塵埃上的結(jié)晶產(chǎn)生影響，這種塵埃振動(dòng)起來就像音叉一樣，可以產(chǎn)生電壓，給晶體管提供電能。無論是肌肉還是神經(jīng)元，組織周圍的電子活動(dòng)會(huì)改變微粒對(duì)超聲發(fā)出的回聲的性質(zhì)，從而這種活動(dòng)可以被記錄下來。

　　這些新的研究，也產(chǎn)生了很多新的問題。如果我們的目標(biāo)是為了創(chuàng)造一個(gè)可以覆蓋大腦全部區(qū)域的「全腦接口」，就一定會(huì)存在物理局限，線、顆?；蛘邏m埃，人類的大腦能承受多少額外的物質(zhì)。如果這種元件可以制作得足夠微小，完全能夠解決這個(gè)問題，則又會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問題：這些元件會(huì)在大腦里移動(dòng)嗎，如果移動(dòng)的話會(huì)產(chǎn)生什么后果呢? 一次手術(shù)最多能在大腦不同的區(qū)域進(jìn)行多少植入呢?

　　而采用微小靈活的材料可能會(huì)產(chǎn)生「濕面條」問題，元件太滑，導(dǎo)致植入很難放置到正確的位置.(有傳言稱，Neuralink 正在研發(fā)一種自動(dòng)「縫紉機(jī)」，目的就是固定住相關(guān)組織。)

　　所有的這些都說明了研發(fā)一種既安全又有效的神經(jīng)腦機(jī)接口是多么困難的一件事。但很多人都在努力創(chuàng)造這樣一種設(shè)備無疑是一件幸事?！肝覀冋诮咏@樣一個(gè)拐點(diǎn)，將能夠?qū)Υ竽X活動(dòng)進(jìn)行大規(guī)模的記錄和刺激，」倫敦 Crick Institute 神經(jīng)科學(xué)家 Andreas Schaefer 這樣說道。

　　即使是這樣，提取大腦中的數(shù)據(jù)或者說將數(shù)據(jù)放入大腦僅僅是第一步而已。接下來的一步是處理這些數(shù)據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)與大腦的結(jié)合

　　一旦數(shù)據(jù)從大腦中提取出來，如何才能運(yùn)用到最佳效果呢?

　　對(duì)那些認(rèn)為腦機(jī)接口永遠(yuǎn)不會(huì)流行的人，有一個(gè)簡(jiǎn)單的回答：這樣的接口已經(jīng)存在了。全世界有超過 30 萬人已經(jīng)在耳內(nèi)植入人工耳蝸。嚴(yán)格地說，這個(gè)聽覺裝置與神經(jīng)組織沒有直接的交互作用，但其效果并無不同。一個(gè)處理器捕捉聲音，它被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送到內(nèi)耳的電極，刺激耳蝸神經(jīng)，使大腦聽到聲音。神經(jīng)學(xué)家 Michael Merzenich 是發(fā)明這些設(shè)備的人員之一，他解釋說，這種植入物只提供了一種語言的粗陋轉(zhuǎn)譯，「就像用拳頭來彈奏肖邦的音樂」。但是，只要經(jīng)過一小段時(shí)間，大腦就能搞明白信號(hào)的意思。

　　這為 BCI 方程的另一部分提供了線索：一旦接口進(jìn)入了大腦，它該做什么。正如人工耳蝸植入所顯示的，一個(gè)選擇是讓世界上最強(qiáng)大的學(xué)習(xí)機(jī)器(即大腦)完成這項(xiàng)工作。在 20 世紀(jì)中葉的一項(xiàng)著名實(shí)驗(yàn)中，兩位奧地利研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦可以很快地適應(yīng)一副將他們投射到視網(wǎng)膜上的圖像顛倒過來的眼鏡。最近，科羅拉多州立大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種能將聲音轉(zhuǎn)化為電脈沖的裝置。當(dāng)被壓在舌頭上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生各種各樣的刺痛感，大腦就會(huì)學(xué)著將其與特定的聲音聯(lián)系在一起。

　　因此，大腦非常善于解決問題，電腦也是如此。例如，助聽器的一個(gè)問題是它會(huì)放大所有傳入的聲音。當(dāng)你想在像聚會(huì)那樣嘈雜的環(huán)境中關(guān)注一個(gè)人時(shí)，這就提供不了什么幫助。哥倫比亞大學(xué)的 Nima Mesgarani 正在研究一種方法來區(qū)分你想要聽的人。這個(gè)想法是，一種算法將區(qū)分同時(shí)說話的不同聲音，創(chuàng)建一個(gè)聲譜圖，或者說是一種對(duì)每個(gè)人的說話的聲音頻率的可視表示。然后當(dāng)助聽器的佩戴者專注于一個(gè)特定的對(duì)話者時(shí)，它觀察大腦中的神經(jīng)活動(dòng)，這個(gè)活動(dòng)被創(chuàng)建為另一個(gè)聲譜圖，兩個(gè)聲譜圖中相匹配的聲音會(huì)被放大(見圖)。

　　算法比大腦可塑性更強(qiáng)，它可以使癱瘓的人用意念移動(dòng)光標(biāo)。例如，在今年早些時(shí)候發(fā)表的研究中，Shenoy 博士和他在斯坦福大學(xué)的合作者記錄了大腦控制打字的巨大進(jìn)展。這不是來自新的信號(hào)，也不是來自更神奇的接口，而是來自更好的數(shù)學(xué)方法。

　　進(jìn)展部分歸功于 Shenoy 博士對(duì)他算法測(cè)試階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的使用。在訓(xùn)練階段，用戶反復(fù)被要求將光標(biāo)移到特定的目標(biāo);機(jī)器學(xué)習(xí)程序識(shí)別與此運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)的模式。在測(cè)試階段，用戶會(huì)看到一個(gè)字母網(wǎng)格，并被要求移動(dòng)光標(biāo)到他想要的地方;這測(cè)試了算法預(yù)測(cè)用戶意愿的能力。通過重新對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，使其包含用戶達(dá)到特定目標(biāo)的意圖，這些信息也顯示在數(shù)據(jù)中，這樣可以使光標(biāo)更快地移動(dòng)到目標(biāo)位置。

　　但盡管算法正在變得越來越好，它仍有很大的改進(jìn)空間，尤其是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然稀缺。盡管有人聲稱智能算法可以彌補(bǔ)不干凈的信號(hào)帶來的干擾，但算法也只能做這么多了?！笝C(jī)器學(xué)習(xí)能實(shí)現(xiàn)幾乎不可思議的事情，但它并不能施展魔法，」Shenoy 博士說。請(qǐng)你想想，使用功能性近紅外光譜法來識(shí)別閉鎖綜合征患者簡(jiǎn)單的「Yes or No」問題的答案，有 70% 的正確率。對(duì)于這些根本無法交流的人來說，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。但是在事關(guān)他們生死的問題上，這一數(shù)字顯然是不夠的。我們需要更多更清晰的數(shù)據(jù)來建立更好的算法。

　　這并不能幫助我們了解大腦的工作方式，我們?cè)谶@方面的知識(shí)仍然是如此的不完整。即使有更好的接口，腦器官特殊的復(fù)雜性也不會(huì)很快被解開。例如，光標(biāo)的移動(dòng)只有兩個(gè)自由度，而人手有 27 個(gè)。視覺皮層研究人員經(jīng)常使用靜態(tài)圖像，而現(xiàn)實(shí)生活中的人類必須處理不斷移動(dòng)的圖像。對(duì)于一些復(fù)雜的研究，例如當(dāng)人們抓起一個(gè)物體的過程中他們的感官反饋，才剛剛開始。

　　盡管計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)取得更廣泛的進(jìn)展，從面部識(shí)別到自動(dòng)駕駛汽車，但是神經(jīng)數(shù)據(jù)的噪聲帶來了特殊的挑戰(zhàn)。當(dāng)有人想要在某一個(gè)場(chǎng)合移動(dòng)他的右臂時(shí)，運(yùn)動(dòng)皮層的一個(gè)神經(jīng)元可能會(huì)以每秒 100 個(gè)動(dòng)作電位的速度放電，但在另一個(gè)場(chǎng)合下的速度是 115，更糟的是神經(jīng)元的指令可能會(huì)重疊。所以，如果一個(gè)神經(jīng)元的放電速度是 100 次每秒向右移動(dòng)，70 次每秒向左移動(dòng)，那么 85 的平均速率是什么意思呢?

　　至少運(yùn)動(dòng)皮層的活動(dòng)有一個(gè)可見的運(yùn)動(dòng)形式的輸出，可以通過輸出與神經(jīng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性來進(jìn)行評(píng)估，但其他認(rèn)知過程則缺乏明顯的輸出。就拿 Facebook 感興趣的領(lǐng)域來說：沉默，或者想象和演講。大腦對(duì)想象的語言的表達(dá)是否與實(shí)際(說過或聽過的)語言的表達(dá)相似到可以互為參考?另一個(gè)因素同樣阻礙了進(jìn)展：「關(guān)于運(yùn)動(dòng)是如何由神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的，我們積累了一個(gè)世紀(jì)的數(shù)據(jù)，」BrainGate 的 Hochberg dryly 博士說?！傅覀儗?duì)動(dòng)物語言的了解較少?！?/p>

　　更高層次的功能，比如決策，會(huì)帶來更大的挑戰(zhàn)。BCI 算法需要一個(gè)明確定義神經(jīng)活動(dòng)與問題參數(shù)之間關(guān)系的模型。匹茲堡大學(xué)的 Schwartz 博士說：「問題從定義參數(shù)本身就開始了。認(rèn)知是什么?你怎么用一個(gè)方程來描述它?」

　　這些困難表明了兩件事。第一，找到一套用于全腦活動(dòng)的算法還有很長(zhǎng)的路要走。第二，在腦機(jī)接口中進(jìn)行信號(hào)處理的最佳路徑可能是機(jī)器學(xué)習(xí)和大腦可塑性的結(jié)合。關(guān)鍵是要建立一個(gè)讓這兩個(gè)組件合作的體系。這不僅僅是為了效率，也是出于道德的考慮。