脑机接口技术两难，真的能实现吗？

文/陈根

2014年6月12日,圣保罗巴西世界杯的开幕式,一个下身瘫痪的巴西少年,依靠大脑控制机械骨骼的装置,顺利开球,这一全球目睹的史诗级时刻,就是脑机接口最早的真实应用。

此后,脑机接口的突破性技术开始频繁刊载于各大学术期刊,以及各新闻的科技版面。2020年8月末,马斯克再一次召开了其脑机接口公司Neuralink有关脑机接口最新进展的发布会,并展示了三只植入脑机芯片的小猪,人们可以通过显示器来观察猪的脑电波活动,并预测其行为。

马斯克的直播吸引了全球15万人的关注,一时间,关于脑机接口的技术关涉和伦理担忧等议题纷至沓来。事实上,作为一项前沿科技,脑机接口之所以能够聚集这么多的关注,一来是因为其利好医疗以及社会的巨大空间,二来就是脑机接口打造的是一个关乎“人”的终极神话。

而在终极神话中,人们目前想像到的不外乎人脑与人的意识大幅提升,比如无限的记忆,更高速的运算;意识与机器的融合;对抗人工智能霸权等。

这当然是一个漫长的神话,但马斯克以及更多脑机接口的突破技术却似乎也呼应和强化这样的想象,但在技术“无上限”的幻想前,我们先要回到最初的起点,去回答一个关乎技术需求的边界和技术逻辑的极限的问题。

脑机接口以何立之?

所谓的脑机接口技术(brain-computer interface,BCl),就是一种实现人脑和计算机或其他设备之间通信的系统。脑机接口系统通过在人脑和计算机之间建立直接的信息传输通道,实现大脑与外部世界的直接交互。

脑机接口属于神经科学里电生理学(electrophysiology)的衍生,二者使用的基本设备都不外乎是各种电极、信号放大器、数模转换器和数据分析软件。

不同的是,传统电生理学,主要是通过采集并观察实验者/实验动物在生理或病理状态下特定脑区的神经元电信号数据来分析大脑的活动状态,并以此推断这些现象背后可能的生理/病理机制。而脑机接口技术,则更注重对脑内采集的电信号进行解读,并将其输出为计算机可以理解的程序指令,最终实现直接用神经元电活动来控制电子设备运行的目标。

但不论是脑机接口,还是电生理学,归根结底,都离不开脑科学的支撑。事实上,脑机接口始于脑科学,也受脑科学发展的局限。

脑是人类最为独特的器官。数以千亿的神经元,组成了人脑的基本结构:负责处理大部分思维活动的大脑、负责协调运动的小脑以及连接其中的脑干。

其中,脑干虽然最为原始,却并不“低级”,脑干将大脑、小脑与脊髓连接起来,大脑与躯体间几乎所有的神经投射都要通过这里。此外,脑干本身还调控着呼吸、体温和吞咽等最重要生命活动,甚至大脑的意识活动也需要由它的“网状激活系统(reticular activating system, RAS)”来维持。基于此,脑干得以成为人体最致命的要害;而一旦损毁,就是字面意义上的“秒杀”。

对于大脑来说,结构则更加复杂。大脑是人类所有组织器官中最复杂和最智能的部分,是整个神经系统的枢纽,也是人体所有其它器官的指挥者。生物研究领域中的专家学者经过长期的研究,根据人类大脑中不同活动中的激活状态,发现了不同的脑区对应着不同的认知功能,比如视觉、触觉、听觉、语言、运动等。

而大脑,正是脑机接口电信号产生的地方。大脑时时刻刻接受来自视神经、听觉神经等,以及周围神经系统(Peripheral Nervous System)传送过来的信号。大脑将这些信号进行解析,并产生感觉,进而对外在环境做出反应形成运动信号。运动信号再通过脊髓传达到周围神经系统,进而控制肌肉控制人的身体,做出复杂(高级)运动行为。

当脑神经开始处理信息,就会产生相应的电磁信号。从神经元的构造来看,当神经元传达信号时,神经元内外的带电离子流动形成电流,电流到达突触后激发化学反应继续传递信号给下一个神经元。当一定数量的神经元像集成电路一样一起工作时,就可以产生能被宏观的电极所探测到的电磁信号。

电磁型号的变化,反映出当前皮层区域的活跃程度。这些信号经过放大,编译变成了包含信息的信号。这样研究人员就可以进行数据分析,用算法推测出大脑想表达的东西。但从大脑功能的发现到电磁信号的翻译,都仍只是脑科学和脑机接口技术的冰山一角。脑机接口技术发展到现在,研究者仍面临着许多问题。

脑机接口的技术两难

根据脑机接口与大脑的连接方式,可以分为非侵入式性、侵入式性和半侵入式性脑机接口。

在非侵入式脑机接口中,脑机接口设置在颅骨外,头部的上皮点位是其收集脑电信号的主流方法之一。但是这种方法收集的信号存在着伪迹过大(如眨眼伪迹和面部肌肉信号伪迹),信号带宽过低(一般小于70 Hz)和信号强度低(因为颅骨阻挡)的问题。而信号的质量直接影响了结果的质量,显然,再好的算法也救不回被污染的数据。

侵入式性脑机接口要求微电极植入头骨下的大脑皮层中,直接接触神经元细胞以此来获得更纯净的信号。在这种情况下,信号可能会被以高质量产生采集,但随着时间的推移容易出现疤痕组织,从而影响后续的信号接收此外,而一旦种植了侵入式性脑机接口/探针,就不可能将其移动来测量大脑的其他部分。

现有的电极阵列再怎么精密,考虑到实际的实验情况,一次能够同时记录到的神经元信号数目也基本都只有两位数,相比于整个大脑,甚至仅仅一个脑区或者核团之中天文数字的神经元总数,这么一点样本量究竟能说明多少问题本身都是个问题。

此外,侵入式脑机接口还面临慢性神经炎症,局部脑组织损伤等健康风险。比如,马斯克和他的团队使用的就是在皮质上植入和皮质里植入相结合的方式,将类似于微丝阵列(用于皮层上)和密歇根式探针(用于皮层中)的电极植入到人的脑内。尽管马斯克和其团队提到这个电极植入机器人可以避开脑血管,进而不打破脑血屏障,避免炎症的发生。

但是,与皮层相关的植入方式还面临着慢性神经炎症,局部脑组织损伤,以及局部脑组织损伤带来的细胞反应(小神经胶质反应和星形胶质细胞反应)还有电极穿透时引发的细胞外基质变化的反应。这些都是因电极植入引起的慢性脑组织反应,他们不仅会影响信号长期收集,还会引起人脑可能的恶性变异。

归根结底,脑机接口的输入信息也只是电极采集的大脑电活动。显然,若是用非侵入式的头皮电极,就只能隔着头皮、颅骨和脑膜记录到大脑宏观层面的脑电波(electroencephalogram, EEG),精度很差。而使用侵入式电极记录具体的神经元电活动,破解了精度局限,但数量和安全又成了问题。

事实上,无论之后的数据处理算法多么给力,但巧妇难为无米之炊,只要源头数据的问题没有解决,整个脑机接口技术就难以出现赛博朋克作品里那种爆发性的应用狂潮。

一个关乎“人”的终极神话

脑机接口的发展其实与脑科学的进步密切相关。只有脑科学进一步发展,脑机接口的设计才能更加可靠。

事实上,目前的脑机接口,虽然也有各种意义上的进展和应用,比如通过记录分析脑电,让全身瘫痪的患者也能用电脑输入文字、甚至操纵机械臂和无人机,但这些依然是通过精妙的算法分析,在信息量极其有限并且满是噪音的原始数据中实现翻译,这也依然和科幻作品中的构思大相径庭。

脑机接口的神话是人脑与人的意识可能大幅提升,包括无限的记忆,更高速的运算,正面感受的增强,更好的专注度,视觉听觉的提升,甚至是心灵感应等超自然的想法。

另一方面,究其根本,神经冲动就是电与化学信号形成的网络,这就意味着可能转化为模拟信号和数字信号,这既可以让神经系统直连电子系统,甚至可以将人的记忆和意识彻底电子化,进而实现数字永生。

但显然,这是一个漫长的神话,在脑机接口走向神话前,必然要面临的是人们思维与意识的解码困境。而在目前的神经科学的研究中,科学家们对于脑内思维活动的分析还并不能做到直接读取到个体的所想和所思考。从科学研究的角度出发,脑内活动的理性理解,大部分是从事件跟神经活动的关联性出发的,其理解过程很依赖于研究者对关联形式主观判断的准确性。

此外,现阶段,科学家对意识的产生的研究,对记忆塑造的方法以及不同脑皮质分区合作的机理尚没有定论。这些问题与脑机接口是否能实现让大脑与互联网或者个人服务器相连接的功能实现息息相关。

以记忆存储为例,事实上记忆的物理形式是什么?是神经网络的结构状态,还是分子网络的组学状态,这本身就需要界定。而要实现记忆的存储甚至转移,首先需要了解记忆的编码形式并能进行读取。

目前已经知道一些基因与记忆的形成有关,甚至被当做是否有记忆形成过程发生的依据,如c-Fos、zif268等,但是这些基因的表达模式本身并不能达到作为记忆编码形式来对待的要求。

从应用的角度出发,或者特殊场景的角度出发,脑机接口无疑显示出一种实用的希望和巨大的社会价值,这需要进一步的研究和更多的技术支撑。但同时,脑机接口也承载了一个关乎“人”的终极神话,而这关乎技术需求的边界和技术逻辑的极限。

对技术热情的期盼之下,其终极奥义在于,如何使用一种越来越具身性(embodiment)的技术,在无需把机械装进肉身的前提之下,实现人与机器的连接和交互。这也涉及了一个更深刻的问题:我们的身体和大脑到底想要多大的控制范围?或者,我们已经为放弃控制做好了什么样的准备?