北大院長解讀馬斯克「讀腦術」的來龍去脈
Neuralink Progress Update, Summer 2020視頻截圖
圖源：Neuralink官網
撰文 | 周程（北京大學哲學系教授、醫(yī)學人文學院院長）
責編 | 李珊珊
北京時間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接口新設備——一枚只有硬幣大小，擁有 1024 個信道，可置于顱骨內側，讀取腦神經活動信息，實時無線傳輸腦電波數(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、精準地植入預定位置的外科手術機器人。馬斯克還列舉了腦機接口技術有可能解決的疾病——聽覺或視覺障礙、失憶、抑郁、癲癇、中風等。他認為，使用腦機接口技術，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現(xiàn)“心靈感應”，至于將人的意識數(shù)字化，高保真地上傳給電腦，在“云”中實現(xiàn)“永生”也并非天方夜譚。
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馬斯克對腦機接口技術的憧憬，吸引了媒體界的廣泛關注。不過，這項腦機接口技術的發(fā)展前景被不少媒體嚴重夸大了，仿佛借助該項技術人腦與電腦互聯(lián)，腦力指揮機器、完整上傳意識指日可待。稍微考察一下讀腦技術的發(fā)展歷程，就會發(fā)現(xiàn)，在可預見的未來，這些都沒有可能化為現(xiàn)實。
如何讀取你的腦？
通過腦機接口讀腦這件事，盡管聽上去十分復雜，但其基本原理相當簡單。
讀腦的關鍵在于推測出與大腦的某種活動對應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)的對應關系圖。這張關系圖就像一個映射，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。有了這張關系圖，只要探測出一個人的大腦活動狀態(tài)，我們就可以順著映射找到該個體所處的心靈活動狀態(tài)或當時的外在行為表現(xiàn)。
但問題在于，如何才能獲得這種關系圖？
我們可以讓個體處于某種心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)之中，然后把此時的大腦活動與基準狀態(tài)下的大腦活動進行對比，如果大腦的某個或某幾個區(qū)域異?；钴S，那么我們就推定這個或這些區(qū)域的活動與該心靈活動或行為表現(xiàn)相關。
畫張關系圖，這聽上去很簡單，然而，原理簡單并不意味著讀腦技術的發(fā)展就會一帆風順。因為科學中存在很多“原則上”可行但實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該是在一個或多個時間截面上從多個維度精確測定大腦中每個神經元的活動狀態(tài)，而這在今天的技術條件下是難以實現(xiàn)的，因為目前實現(xiàn)這一目標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來考察大腦的活動狀態(tài)，例如腦電波強度、腦血流量和血氧飽和水平等。這便形成了讀腦技術的幾大門派。
用這些間接指標描述大腦的活動狀態(tài)雖然有效，但不夠完整。而且，在不能與神經元親密接觸的情況下測出的數(shù)據(jù)，也不夠準確。所以，讀腦技術雖然進步迅速，但要真正成氣候尚需時日。
讀腦術的進化
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如果按照腦成像的結果來區(qū)分，讀腦技術可以劃分為腦結構成像技術和腦功能成像技術兩大類，前者關注的是大腦不同區(qū)域的空間關系，如哪些區(qū)域與哪些區(qū)域毗鄰等，而后者關注的是不同區(qū)域間的功能關系，如哪些區(qū)域共同實現(xiàn)某一大腦功能等。如果按照電極的植入位置，譬如顱骨內、顱骨上、頭皮上來區(qū)分，讀腦技術又可以劃分為侵入式、半侵入式和非侵入式三大類，植入顱骨內或放在顱骨上的屬于有創(chuàng)技術，其受試者一般為病人；放在頭皮上的屬于無創(chuàng)技術，其受試者多為健康人群。
在各種讀腦技術中，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，就簡單談談這些技術的發(fā)展。
1、從大腦解剖到腦成像。
人體構造
人們對腦的研究自古不斷，研究手段也隨著科技的進步逐漸升級，有據(jù)可查的可以一直追溯到文藝復興時期對大腦的解剖學研究。維薩留斯1543年出版的著作《人體構造》中就有不少大腦插圖。不過，腦科學研究的革命性變革發(fā)生在1861年。這一年，法國神經學家保羅·布洛卡（Paul Broca）發(fā)現(xiàn)一名失語病人在左側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關系。今天，這種對應關系對于我們來說似乎是常識，但在當時卻并非如此，因為在那之前，不少神經學家對特定腦區(qū)與特性功能之間的關聯(lián)持高度懷疑態(tài)度。
到了1873年，意大利科學家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）首創(chuàng)鉻酸鹽-硝酸銀染色法，這是發(fā)明最早的神經元染色法。19世紀末，西班牙的圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）改進了高爾基的染色法，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)神經元之間并未連結成一體，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€重大貢獻在于他運用其所發(fā)明的染色方法，僅憑一臺顯微鏡就為神經元進行了分類，而且這一分類在今天依然被神經科學家們奉若經典。
19世紀末，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的電活動。1890年，人們就已經知道血流量與血氧量的改變與神經元的活動強度存在緊密關系。1918年，美國神經外科醫(yī)生沃爾特·丹迪（Walter Dandy）在剛問世的X射線成像技術的基礎上發(fā)明了腦室造影術。1927年，葡萄牙神經科學家埃加斯·莫尼斯（Egas Moniz）又發(fā)明了腦血管成像技術，使得顱內病變診斷更加準確。
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，奠定了腦電圖技術發(fā)展的首座里程碑。此后貝加的實驗結論被多人成功重復，于是該技術獲得了科學界的認同。
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。如此低的電壓原本不足以達到顯示所需的電壓輸入要求，所幸電子三極管自20世紀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基礎。緊接著晶體管又于20世紀中葉問世，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，腦電圖技術已經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。當人的心靈活動增強時，腦電圖節(jié)律就會增高，反之就會減慢。通過總結這些規(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，進而可通過某人的腦電圖特征反推出其當前的心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)。
腦電圖的最大優(yōu)點在于其探測的是腦內電信號，因此時間分辨率極高，可以達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行實時監(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)內上百萬個神經元的協(xié)同放電，而非某個神經元單獨的放電活動；另一方面，大腦活動產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?？梢哉f，馬斯克的侵入式腦機接口設備就是沿著這一技術軌道發(fā)展起來的。
3、正電子放射斷層掃描。
PET. 圖源：wiki
腦電圖在解析腦內動態(tài)活動方面的良好表現(xiàn)，驅使研究者嘗試運用各種其他方法將腦內認知過程可視化。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，發(fā)明了X射線計算機斷層成像技術，亦即CT技術，實現(xiàn)了無創(chuàng)探測人腦內部結構。不過，CT技術只能告訴我們大腦的內部結構是什么，它不能告訴我們當大腦處于某一意識狀態(tài)時，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記過的物質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間內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，但時過20年，放射性核素才得以與CT技術結合，正電子發(fā)射斷層掃描技術，亦即PET技術才宣告誕生。
PET的原理是通過檢測正電子來獲得有關大腦活動的信息。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，當大腦皮層的某個區(qū)域處于興奮狀態(tài)時，這些被標記過的葡萄糖和水就會移向該區(qū)域。此時，只需在體外監(jiān)測正電子湮滅時發(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，定位相當精確。由于使用正電子標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時大腦的動態(tài)活動情況。
不過，PET技術也存在一些弊端。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，因此其時間分辨率遠遠低于腦電圖。其次，考慮到放射性核素長期滯留在人體內會對受試者產生傷害，PET通常采用的放射性核素半衰期多在幾分鐘以內，這就導致PET無法用于長期讀腦。再次，PET成像時間較長，很難實時記錄認知活動的演進過程。最后，PET使用的放射性同位素是人工生產的，造價比較高，因此其成套設備一度被認為是當今世界上最昂貴的生物醫(yī)學影像機。
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顯然更為理想，功能性磁共振成像，亦即fMRI的出現(xiàn)回應了這種期待。
1946年，物質的核磁共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。20世紀70年代，核磁共振與CT技術結合產生了核磁共振成像。因為CT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構成像，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成了怎樣的空間關系，而不能告訴我們當大腦執(zhí)行某一功能時，哪些腦區(qū)參與了這一功能的實現(xiàn)。直到1990年，基于核磁共振成像技術，美國貝爾實驗室的日本科學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致磁共振信號增強的原理，得到了關于人腦的功能性磁共振圖像，進而發(fā)明了今天獲得廣泛應用的功能性磁共振成像技術。fMRI一經問世就很快成了腦研究領域中發(fā)展最迅速的一種腦功能檢測技術。
fMRI的工作機理依據(jù)的是血氧水平依賴效應。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，氧合血紅蛋白是逆磁性物質。順磁性物質會引發(fā)磁場的不均勻性，進而使磁共振成像的特征量T2延長。當個體執(zhí)行某一認知任務時，相關腦區(qū)就會興奮，以致這些區(qū)域的血流量會相應增加，血流量的增加導致這些區(qū)域的T2值得到延長，而這種延長對應到fMRI圖像上就是強信號。反過來，如果當某一腦區(qū)不參與個體的某一認知任務，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，當個體處于某種心靈狀態(tài)時，哪些區(qū)域活動增強，哪些區(qū)域活動不變甚至減弱，進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。
與腦電圖和正電子發(fā)射斷層掃描相比，fMRI在時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，所以它比正電子發(fā)射斷層掃描的風險低，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在時間分辨率上不及腦電圖。此外，fMRI要求受試者整個身體都處于掃描儀內且不能隨意移動，這種不便在很大程度上限制了其被推廣為常規(guī)讀腦設備的可能。
讀腦術的局限
當然，不論使用何種讀腦技術，目前的讀腦研究都只能揭示個體的大腦活動狀態(tài)與其某種心靈狀態(tài)或行為表現(xiàn)相關，但相關性不等于因果性，而且個體表現(xiàn)不等于群體表現(xiàn)。人與人之間存在著巨大的個體差異性，這種差異性在基因層面上已經獲得證實，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元的連結結構和連結強度。這種可塑性當然是進化的結果，因為不同的環(huán)境中存在著不同的生存問題，而不同的神經元網絡在解決不同生存問題上的表現(xiàn)是存在著差異的。這種個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確性。
讀腦的關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)之間的關系圖，個體差異性的存在意味著我們所獲得的上述關系圖可能僅僅適用于某個人群、某個家族，甚至僅僅適用于某個人。那么，我們究竟需要構建多少張這樣的關系圖呢？或者說，我們究竟有沒有辦法構建出一張具有普適性的關系圖呢？顯然，這些都還有待于深入研究。
與非侵入式讀腦技術相比，使用侵入式讀腦技術獲得的有關神經元的活動數(shù)據(jù)更為精確。但是，將腦機接口植入人腦，尤其是顱骨內，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，并立即派出免疫細胞把它包圍起來形成愈傷組織，該如何騙取免疫細胞的信任，讓芯片能夠正常存留在腦中持續(xù)發(fā)揮作用呢？還有，腦神經元數(shù)量巨大，不往腦內植入大量的電極，根本無法實施精確監(jiān)測。此外，將復雜的神經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，即使讀腦技術趨于完善，那也只能解決腦內信息的讀取問題，而只有通過某種輸入實現(xiàn)對神經活動的有效干預，才有可能治療腦部損傷、視覺障礙等疾患。
由此看來，馬斯克的腦機接口新設備仍只停留在通過測定有限的腦電波數(shù)據(jù)來推測大腦的復雜意識活動的初級階段，換言之，它現(xiàn)在還只會捕風捉影，只能采集部分神經元發(fā)出的電磁信號，而且只能由腦到機單向傳輸神經活動信息，距離將人的意識數(shù)字化，高保真地上傳給電腦，以及由機到腦對人腦的記憶進行改寫，按照意愿對神經活動進行干預還有相當漫長的路要走。
馬斯克是非常善于制造話題的商人，他此次發(fā)布的腦機接口技術并沒有實質性地超越腦科學界的既有研究，就像他的BFK火箭技術并沒有超越NASA的既有技術一樣。然而只要把控好這類高科技話題，不時地推陳出新，他就能吸引更多戰(zhàn)略投資，持續(xù)推高公司股價，進一步支持公司科研。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。
前沿腦科學研究耗資巨大，商業(yè)化程度也相對較低，特別是短時間內實現(xiàn)大躍進的可能性有限，但腦機接口技術倫理值得提前深入研究——雖然這項技術短期內不可能實現(xiàn)大躍進，但是一旦取得重大突破，絕對有潛力重塑人類歷史的進程。
制版編輯 | 栗子
