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开启大脑之门

2004-12-16 08:55 作者:鲁伊 2004年第45期
“大脑控制”和“控制大脑”正在成为神经科学领域最热门和争议最多的两个话题,在混杂了事实与想象、夸大与批判间,我们离真正的“大脑-芯片”时代究竟还有多远?

大脑中的海马部位因为脑外伤、癫痫和老年性痴呆症而受损时,人就会失去储存长期记忆的能力

“大脑控制”和“控制大脑”正在成为神经科学领域最热门和争议最多的两个话题,在混杂了事实与想象、夸大与批判的众说纷纭间,我们离真正的“大脑-芯片”时代究竟还有多远?

最近一段时间,“大脑”和“芯片”俨然成了国外科学杂志上出现频率最高的关键词之一。

先是10月号的《发现》(Discover)杂志,用8页的封面故事介绍了科学家如何通过向大脑植入芯片,试图控制记忆、感知和情绪的研究。如果说这篇报道更侧重于对既有成果的梳理而非对未来的预测,那么接下来,10月中旬,《自然》杂志网络版登出了一条类似科幻小说中情节的新闻——一位四肢瘫痪的病人在大脑被植入芯片后,已经可以成功地运用意念,操纵计算机和电视。

最具轰动性的是10月22日《连线》杂志的报道。借诸研究者南加州大学神经工程学研究中心主任西奥多·伯格(Theodore W. Berger)之口,《连线》作出了大胆预测:如果不出差错,人造“海马”——大脑下部负责学习和记忆的重要部位——将在15年内问世。在一些新闻网站上,这个预测被以讹传讹地演绎为——不出15年,人造大脑将可能像人造乳房一样司空见惯。

社会心理学中有个著名的“六度分离”假说,大意是最多只要通过5个中间人,地球上任意两个陌生人就能发生联系。这个假说可以有另一番阐释:在媒体时代,真相与谬误间的差距,也绝不会超过5次转载。只有回到最开始的文本中,我们才能对事情的真相作一个理智的判断。

其实需要的可能只是一个简单计算。人的大脑每秒钟至少能够进行10的42次方次运算,超过目前性能最优秀的超级计算机1000倍。即使摩尔定律在未来15年内继续适用,在那之前造出可以同大脑相媲美的计算机,仍然是一个巨大的挑战。更何况,就算是硬件条件具备,鉴于科学家对大脑如何处理信息的认识,仍然停留在一个相当原始的阶段上,这如同尚未掌握编程语言,便奢谈操作系统和编制多种任务处理软件,又何足为信?

大约在两年以前,纽约州立大学的科学家们曾经完成了一项引起许多争议的研究。他们向老鼠的大脑中植入了可以无线遥控的电极,能够刺激负责胡须触觉的大脑皮层细胞,并通过连带刺激老鼠大脑中的快感中心,强化前一种信号。这样,在一台笔记本电脑的控制下,这些老鼠就成了活生生的“遥控小汽车”,前后左右,无不遵令而为。

虽然这仅是一项以老鼠为对象的研究,善于生发的评论家很快就把问题上升到了人的层面上。有从伦理角度做文章的,也有为“大脑黑客”的应运而生忧心忡忡的。具讽刺意味的是,这项研究其实只是对1964年一项类似研究的重复。40年前,耶鲁大学的神经学家何塞·德尔加多(Jose Delgado)曾在西班牙斗牛场上进行过一次著名的表演。当他面对一头飞速冲来的斗牛,不慌不忙地按下手中的无线电发射器按钮时,那只大脑中植有电极的公牛顿时停了下来。而当他按下另一个按钮,公牛顺从地掉头向右,一溜烟地跑开了。

随后出版的《纽约时报》曾经对这一表演赞叹不已,认为它拉开了人类从外部控制大脑及动物行为的序幕。但事实上,几十年后,仍然在进行相关研究的德尔加多却坦承,这种技术依然很不可靠,而且很难进行精确的控制。道理很简单:让一个孩子不去碰一支蜡笔,远比让他拿起蜡笔画一幅画简单得多。一切问题的关键,就在人类仍然所知甚微的“大脑编码的秘密”。

几十年前,神经学家们还认为,大脑的编码是相当简单的。根据英国生理学家埃德加·阿德里安(Edgar Adrian)上世纪30年代的研究,研究者们一直认为,控制大脑只是一个关系到向大脑中的哪一簇细胞给予多大强度的电流刺激的简单问题。然而,近来的研究却推翻了该理论中作为基础的两个假设:首先,神经元并不仅能完成一项任务,而是在整个生命过程中不断发生改变。就像人无法先后两次跨进同一条河流,同一个位置的神经细胞也可能随着时间的改变肩负起不同的使命。其次,神经冲动可能并不是大脑细胞传递消息的惟一途径。真正有效的信号常常伴随着众多的“噪声”和无用信息,但正如遗传学家们已经发现,所谓的垃圾DNA实际上也具有某些隐藏的功能,这些噪声的秘密,至今尚未能被解开。

在这些新的研究基础上,研究者们提出了许多新假说。为假说提供佐证的,是一系列进一步的试验室研究。控制大脑和大脑控制是这些研究的两个主要方向,前者试图通过掌握和模拟大脑的编码,强化或弥补大脑的某些功能;后者则希望通过感受器捕捉并转化固定的编码信息,从而实现脑与计算机或智能设备间的交互。

宣称在15年内制造出人造“海马”的西奥多·伯格可以被称为前一派的领军人物。在他的领导下,南加州大学、肯塔基大学和威克夫斯特大学的六个实验室已经合作制造出了能够95%准确地模拟老鼠大脑功能的硅晶片。我们知道,大脑中的海马部位因为脑外伤、癫痫和老年性痴呆症而受损时,人就会失去储存长期记忆的能力。通过随机刺激保存在营养剂中的老鼠大脑“海马”切片,记录其输出信号的模式,研究小组已经掌握了用数学公式转换外界刺激与神经元反应的诀窍。这正是一切问题的关键。研究者预计,在两三年内,将能够完成对老鼠的活体实验,7到8年内完成猴子试验,在10年内进入临床。不过,制造出一种可以用的芯片和制造出一种有用的芯片是完全不同的两回事,波士顿大学的诺伯特·方丁(Norbert Fortin)指出,从老鼠到人,每一步都将面临着众多的变数。

在大脑控制领域,最新取得突破的是以匹兹堡大学教授安德鲁·施瓦茨(Andrew Schwartz)为首的研究小组。他们在猴子身上进行的试验显示,植入猴子大脑皮层运动区的电极能够监测到手臂做特定运动时发出的信号(经特定算法处理),这些同样的信号再经算法处理后,可以使机械手臂做出同样的动作。如果猴子的手臂被绑住,经过一些训练后,猴子能学会运用意念控制机械手臂,虽然使用另外一套完全不同的神经信号。这个结果与另外的一些研究不谋而合:在不同情况下,神经元的编码方式也会发生转变。据《自然》杂志报道,美国公司Cyberkinetics成功使瘫痪者运用意念控制计算机的芯片“大脑之门”(BrainGate),其原理便与施瓦茨研究小组如出一辙。

即便越来越多的研究者开始把目标放低,关注解决具体的实际问题,又加上成功的案例不断出现,现在就为“大脑-芯片时代”的到来欢呼还是为时过早。虽然存在种种优点,但向大脑植入芯片有其无法回避的技术问题。在过去的十几年中,科学家已经能制造出体积足够微小、包含几百个甚至是上万个电极的芯片,其中每个电极都能监测到一个神经元的活动。然而,头骨钻孔和植入电极有感染和损伤大脑的危险,因此,目前还不允许向健康人大脑中植入电极。其次,虽然芯片中电极的数量显著增加,但并不是所有电极都能一直接触到神经元。试验显示,由100个电极组成的芯片,常常只有不到50个电极能够发挥作用。

大脑植入芯片的倡导者们寄希望于技术进步来消除芯片的这些问题,但也有人另辟蹊径。一家位于亚特兰大的公司Neural Signals已经获得一项技术专利,不需要向大脑中植入与神经元直接接触的芯片,只要在头骨下安置一个传导螺钉,就能读取大脑中特定区域的编码信息。此外,应用大脑扫描技术也是未来的发展方向之一。去年,用核磁共振成像仪和脑电图读出一个人脑中真正想法的尝试一度引起了很大的轰动。已经有众多专家指出,配合特定算法和海量数据的大脑扫描数据库,很可能成为开启大脑之门最后的一把金钥匙。

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