“脑机融合”，当梦想照进现实

李忠东

思考的电子化交流

2020年8月28日，美国企业家埃隆·马斯克旗下的神经连接公司举办了一场大型发布会，会上展示了脑机接口技术在工程学上的新进展，公开了未来有望更便捷易用的自动植入手术设备，再次激发了人们对脑机接口技术的热情和期待。发布会的亮点在于实验动物从2019年夏天的大鼠变为小猪，后者与人类的相似度比前者更高。植入手术由一台专用机器人完成，植入物仅有硬币大小，全过程仅需一小时，并可“当天出院”。

脑机接口是指在大脑与外部设备之间创建全新信息交换通路，将大脑信号转化为机器可识别的信号，以实现对机器的有效控制。与此同时，将外部设备信号转化为大脑可识别信号从而实现外部对大脑进行直接干预。自20世纪20年代科学家发现脑电波以来，脑机接口便应运而生。20世纪90年代以后，已经开始出现阶段性的探索成果，如美国匹兹堡大学神经生物学家12年前宣称，猴子通过脑机接口能操纵机械臂给自己喂食，这标志着该技术的发展已经允许人们将动物脑部与外部设备直接相连。

埃隆·马斯克关于脑与机器交互的想法始于2016年。但真正引人注目的设想是从2019年7月开始，他提出使用外科手术机器人把“薄纱细线”植入生物大脑，并与外部计算机处理单元相连接。埃隆·马斯克希望，神经织网可以很好地与人体其他部分“共生”，即把生物大脑与数字智能完美结合起来。事实上，早在1987年，苏格兰科幻小说家伊恩·班克斯就在小说里详细地描述了一种覆盖人类大脑的未來神经网络。通过这个网络，人们可以对神经元进行编程，这与埃隆·马斯克说的神经织网如出一辙。

此后数十年，这项技术逐渐带来一些实用产品。目前，脑机接口较为成熟的应用主要集中在神经康复和辅助医学领域，比如为失聪者植入人工耳蜗可恢复听力。然而该技术在重症医学领域的应用还十分有限。近年来，随着人工智能等技术的发展，脑机接口在多个领域开展了应用尝试，像基于神经信号解码的机器翻译、意念控制机械臂和脑控电子游戏等。

2016年，埃隆·马斯克和其他8个人联合创办了神经连接公司，聘请了加州大学旧金山分校生理学专家菲利普·萨佩斯、波士顿大学生物学专家蒂莫西·加德纳等该领域的著名学者。该公司长期与加州大学戴维斯分校开展联合研究，主要从事神经织网技术开发，研发电脑与人脑融合技术，向人脑植入未来能够上传下载思想的微型电极，大幅提高人机交互速度，以期最终解决“人机共生”问题。在谈及神经连接的科幻用途时，埃隆·马斯克在发布会上表示：“在未来，你将能够保存和恢复记忆。基本上可以把你的记忆作为备份，然后再恢复这些记忆，还可以把它们下载到一个新的主体或机器人主体中。”

埃隆·马斯克创立神经连接公司源自于对人工智能（AI）的恐惧。他深信，在未来，AI的智力一定会比人类高，那将是一件非常可怕的事情。如果还按照生物进化的角度任由人类的智力自我演化，那么到时候人类也许早就被灭了。而避免落后于机器的最好方式就是将我们自己转变为AI。那么，该如何转变呢？只有通过脑机接口，让人类与机器进行融合，届时实现人类中有AI，AI中有人类，两者无法分开，也就无所谓谁赢了谁。神经连接公司希望通过脑机接口输入思维，为人类提供无延迟、直接的高带宽连接，帮助人类跟上先进的AI技术，降低潜在的生存威胁。

神经连接公司成立之初，以医疗健康领域为主。除了能帮助残障人士控制义肢外，埃隆·马斯克的短期目标还包括对抗记忆力衰退、恢复颈脊髓损伤以及治疗癫痫、抑郁症、帕金森病等神经系统疾病。深度脑部刺激或通过植入大脑的电极治疗已经用于颅脑创伤恢复，很多患者接受了这类手术，取得了较好的疗效。另外，还有迹象表明，这类技术或许对治疗自闭症有帮助。在多数病例中，将电极植入自闭症患者的大脑有助于改善症状，以及用来治疗精神上瘾和抑郁症。

然而，埃隆·马斯克的长期目标更为激进，包括诸如“概念心灵感应 ”之类的想法。比如说，两个人可以通过思考来进行电子化的交流，而无须依靠书写或语言。又比如人们可通过神经连接与自己的数字AI化身融为一体等。

小猪测试获得成功

埃隆·马斯克在发布会上指出，科学是重中之重，首次推出的神经连接手术机器人将大放异彩。如果人们要避免被人工智能超越，那么大脑与机器结合的神经条至关重要。“从生存性威胁的角度来看，脑机融合必不可少，而神经连接完全能够胜任这一使命。”他强调说，“我们研究团队的成员分享了一份‘愿望清单，内容包括恢复瘫痪人士活动能力、盲人视力、帮助人们心灵感应、上传记忆以供日后参考或者可能被下载到替换身体中等。”

发布会上，科幻设计的神经连接手术机器人闪亮登场，它是温哥华工业设计公司沃克工作室的作品。其中，神经连接公司的工程师和科学家创造了基座技术，沃克工作室负责开发机器人的外观和用户体验，以及在之前的演示中展示过的耳后通信终端。医疗机器人通体干净，其选用的白色，跟设计的弧线和光滑的表面都给人带来一种抚慰的感觉。除了白色的外表，它还有一个薄荷色的内部，赋予机器人“一种人类的特征”，从而有助于弱化这款侵入性程序的“非人”本质。

神经连接手术机器人分为3个主要部分：头部、躯体和基座。其中头部是一个头盔状的部件，用于支撑患者的头部。头盔内部还配置有一次性使用的袋子，用于无菌操作。躯体的后部凸起，隐藏了所有负责机器人在手术过程中运动的部件。基座可以防止整个机器人出现翻倒等情况。除眼见的这3部分外，当然还包含了本身用于计算的大脑。另外，机器人还配备了一个手术针头的导引，以及众多用于绘制大脑活动的嵌入式摄像头和传感器。手术机器人会将芯片放置在患者的颅骨下方，将电线插入大脑，但不会损坏血管和脑细胞。为了演示最新研究成果，埃隆·马斯克还请来小猪“格特鲁德”、“乔伊斯”和“多萝西”，向全世界展示了可实际运作的脑机接口技术。此次的新设备采用了无线技术，通过芯片植入的方式将设备完全植入脑中。仅硬币大小的芯片带有密集的微型线路，置于头骨下方。2个月前，小猪“格特鲁德”被植入由神经连接开发的系统，用于记录从大脑区域到鼻子的信号。被植入系统后，它的状态良好，活蹦乱跳。在测试中，当这只小猪在舞台上围着一支笔嗅来嗅去时，脑机接口设备会获取神经元发射的信号，在显示屏上呈现点状图像并发出声音，这显示它的大脑信号已被实时采集。

与小猪“格特鲁德”不同，“多萝西”先植入神经连接设备后又被取出，而“乔伊斯”则没有植入设备。测试证明，“多萝西”与“乔伊斯”等其他正常的小猪没什么两样，仍然可以健康地存活。这一点很重要，因为说不准哪一天做过植入手术的患者需要取出或者“升级”脑子里的神经连接设备。此外，埃隆·马斯克还展示了一段小猪较早在跑步机上拍摄的视频，该系统可以通过感应小猪的大脑活动来实时记录猪爪的位置。

植入人脑面临挑战

目前，“侵入式”和“非侵入式”是实现脑机接口的两个主要路径。“侵入式”将脑电波检测电极植入大脑，采集到的脑信号强且稳定，但会对人体造成创伤。“非侵入式”通过可穿戴的脑电波检测设备获取信号，虽然对人体无害，但是穿戴不便，信号稳定性差、速度慢、正确率低。为了实现尽可能的低损伤和高效信号传输，埃隆·马斯克试图在这2条路径之间找到最优平衡。他表示：“利用神经元活动对神经连接的技术非常重要，从这些信号中收集大量数据，将教会神经连接软件与身体其他部位进行交流，在辅助芯片（替代头骨）+外骨骼或执行机构的配合下，可最终实现快速识别意识、复制一定数量的记忆以及执行运动意图。”

在发布会上，神经连接公司还展示了更为完善的第二代设备，它可以装进颅骨上的一个小空腔之中。这种神经计算机脑接口系统由看起来类似小型的Fitbit（可穿戴设备）表盘的芯片和约5微米厚的电线组成，体积仅仅是发丝的1/20，通过低能耗蓝牙连接到智能手机并由应用程序控制。电线上有1024个电极，呈扇形辐射。相较目前的类似产品，用于对抗帕金森综合征的脑电系统只有10个电极。虽然神经连接公司的此款设备尚未在人体中进行过测试，但是2020年7月，美国食品和药物管理局已将其指定为突破性设备，使他们能够在整个开发过程中获得反馈。专家评价，神经连接公司这次展示的新品无论在封装、集成、植入器件的微型化程度，还是在无线传输等工程设计与实现方面都做得很好，神经连接手术机器人也得到了较大的改进。

英国纽卡斯尔大学教授安德鲁·杰克逊指出，在这次大型发布会上，神经连接公司主要展示了脑机接口的技术路径方面的探索和多电极植入的工程挑战方面取得的新进展，但缺乏基本原理或技术应用上的突破，未展示 “革命性”的内容。由于技术和许可方面的障碍，人体测试要比猪测试困难得多。

近几年来，脑机接口研究取得了一定成果，但在一些关键技术方面仍有待突破。要想早日实现多领域大规模应用，甚至产生科幻作品中描绘的“超级人类”以及“存储和提取记忆”，还面临诸多挑战：一是人类对大脑的了解远远不够，生物学领域的生命活动基础仍是未解之谜，需要加强基础科学的研究。尽管不同的脑电波大致有一个代表方向，但“读懂”脑信号很难。如果基础研究得不到准确的数学模型，那么后续的开发就缺乏可靠基础，软件设计和应用开发便无从谈起。二是脑机接口技术将经历“脑机对接”、“脑机交互”和“脑机融合”3个发展阶段，当前正处于由第一阶段向第二阶段的过渡期，像传感精度低、集成计算效率差、编解码能力弱、互适应手段少等主要关键技术瓶颈仍有待突破。三是十分缺乏脑机接口技术的实验，数据非常有限。这类技术通常先以猴子为实验对象，在此基础上才能对截瘫患者进行临床试验，但是目前全球能做猴子实验的机构不多，只有少数能从事临床试验的团队。技术研究需要以大量的实验和数据为基础，人工智能的相关研究更是如此。

至于“控脑”技术的伦理问题，更需要规范化。使用脑机接口技术至少应该遵循知情同意、患者自主性和必要性原則，以及遵守对本人有利、不会对他人和社会造成伤害等原则。脑机接口技术的安全风险也值得一提，例如在电极植入、信号输入或输出的过程中有可能对脑部造成伤害，收集和使用脑电波信息有可能涉及对个人隐私的侵犯。爱尔兰沃特福德理工学院通信软件和系统小组研究负责人萨西塔兰·巴拉苏布拉马尼亚姆提醒道：“脑机接口可能让我们更容易受到黑客的攻击，相关信息的泄露将比我们见过的所有数据泄露都更为严重。”