從腦機(jī)接口到意念控制的距離
2023年6月28日，香港科技大學(xué)副教授吳若昊在“柔性腦機(jī)接口技術(shù)”對(duì)話會(huì)上發(fā)言
文/《環(huán)球》雜志記者?張漫子
編輯/胡艷芬
腦機(jī)接口，一個(gè)頗具未來感的詞匯，也是人機(jī)交互的一種“更親密”方式。
試想一下，早上醒來，躺在床上，心中念頭一動(dòng)，窗簾就拉開了。隨即，冰箱門打開，咖啡機(jī)開始工作，電腦自動(dòng)啟動(dòng)并登錄微信、郵箱……這是未來生活的冰山一角，也是腦機(jī)接口技術(shù)塑造下“所思即所動(dòng)”的后現(xiàn)代圖景。
更多人對(duì)“腦機(jī)接口”的理解是從科幻電影《黑客帝國》開始的：“現(xiàn)實(shí)世界”的人類在后腦插入連接器后，就進(jìn)入虛擬的“母體世界”。借由連接器，外部信息可輸入大腦，大腦的信息也可傳輸?shù)酵獠俊＿@幾乎是腦機(jī)接口的終極版本：向人類大腦導(dǎo)入一個(gè)完整的虛擬外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的雙向交互。
盡管我們目前還處于人機(jī)交互這部劇集的前情提要階段，但人們正企盼著這項(xiàng)技術(shù)能更快地到來，當(dāng)然前提是它能造福人類、重新定義生命。
未來，“心電感應(yīng)”有多簡單？“賽博格”這一人工智能與生物智能的融合是否指日可待？“肉身輕盈、機(jī)械飛升”的生命數(shù)字化有望實(shí)現(xiàn)嗎？《頭號(hào)玩家》《西部世界》《機(jī)械戰(zhàn)警》，哪一個(gè)指向我們的新未來？
解放大腦
日前，幾則國內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)落地的新聞接踵而至，讓年過半百的腦機(jī)接口概念在熱搜榜上居高不下。
“將人腦與電腦相連接、開發(fā)由大腦意識(shí)控制的機(jī)器”，這一想法始于上世紀(jì)60年代。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，人腦與電腦、碳基生命與硅基生命的交疊拉出一條陡峭的上揚(yáng)曲線。“不開口就能交流”“不動(dòng)手就可操控機(jī)器”在多國實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)實(shí)現(xiàn)，腦機(jī)接口技術(shù)穿過科幻的遐想，從《自然》《科學(xué)》等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊走出，加速照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
只不過，現(xiàn)實(shí)區(qū)別于科幻的一大不同在于：比起把人變成超人，它更想先讓失能人成為健全人。這也是各國科學(xué)家最初研究腦機(jī)接口的動(dòng)力——在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，幫助那些高位截癱、閉鎖綜合征、肌萎縮側(cè)索硬化等重度運(yùn)動(dòng)功能障礙者，重建運(yùn)動(dòng)、語言功能，將他們的大腦從身體的局限中解放出來。
迄今，高級(jí)腦功能的重建是腦機(jī)接口技術(shù)探索最集中的領(lǐng)域。2005年，美國布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成了首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù)，使四肢癱瘓的馬特·內(nèi)格爾能通過運(yùn)動(dòng)意圖控制電腦光標(biāo)；2014年巴西世界杯開幕式，高位截癱青年Juliano Pinto在腦機(jī)接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開出一球；2016年，癱瘓男子Nathan Copeland用意念控制機(jī)械臂與當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)奧巴馬握手。
在這場(chǎng)技術(shù)角逐中，中國沒有落下——2020年，首例腦機(jī)接口臨床手術(shù)落地中國，浙江大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)通過在腦內(nèi)植入“猶他陣列電極”，使一位72歲的高位截癱患者成功實(shí)現(xiàn)“用意念喝水”；近日，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)以植入式硬膜外電極腦機(jī)接口的方式，使四肢截癱患者實(shí)現(xiàn)自主喝水。至今，多名癱瘓患者已借助腦機(jī)接口技術(shù)操縱外部設(shè)備，完成抓、取、握、傳等基本動(dòng)作。
失能者“行動(dòng)的恢復(fù)”是如何實(shí)現(xiàn)的？
對(duì)普通人來說，意識(shí)支配自身行為很簡單。但對(duì)于神經(jīng)通路部分損毀的不能聽、不能看、不能抓、不能走、不能說的失能人士，因其大腦與軀干的“失聯(lián)”，其行走、觸摸、抓握、聽說等念頭被迫“困”在腦中，無法指揮身體正常反應(yīng)。
“我們做腦機(jī)接口，相當(dāng)于在大腦與外部設(shè)備之間搭起一個(gè)直接傳輸大腦指令的信道。原理上，信道輸入的是人的意念和想法，輸出的是人對(duì)外部設(shè)備（如假肢、機(jī)械臂）的操控。”某科技企業(yè)一名研發(fā)負(fù)責(zé)人如此解釋。
腦機(jī)接口介入后，從意念到行為的“道路”堵點(diǎn)被打通。在脊髓及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路損壞但大腦皮層功能健全的條件下，患者腦部信號(hào)被計(jì)算機(jī)解讀之后，即可向外傳輸大腦指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。于是，“人有所思、物有所動(dòng)”初步實(shí)現(xiàn)。
這幾年，偏癱、腦卒中、失語、截癱、精神性疾病等失能患者的家庭，從一個(gè)接一個(gè)腦機(jī)接口的“實(shí)驗(yàn)室突破”中看見曙光。“（腦機(jī)接口）需求非常廣闊，成為了目前難治的神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及復(fù)雜后遺癥的最新‘武器’。我們常常接到從各地打來的病人的電話。”中國科學(xué)院院士趙繼宗告訴《環(huán)球》雜志記者。病人的親友打來的電話幾乎都以同一個(gè)問題開頭：“我們看到新聞了，腦機(jī)接口手術(shù)，你們能做嗎？”
困于大腦
腦機(jī)接口技術(shù)雖不乏點(diǎn)上的突破，但遠(yuǎn)未成熟。最大的制約莫過于大腦依舊是人類的認(rèn)知“黑洞”。
大腦迷宮般的溝回里藏了太多秘密，如同廣袤的宇宙只肯向人類展露它頭頂一片有限的星空。超過1000億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞如同銀河系的星星，一邊變化、一邊發(fā)出微小的電脈沖信號(hào)，對(duì)人體的一舉一動(dòng)“發(fā)號(hào)施令”。大腦運(yùn)作的最大“謎團(tuán)”——意識(shí)，是人類智慧產(chǎn)生的起點(diǎn)，卻尚未被人類的智慧捕捉、解碼。
“如果說一項(xiàng)技術(shù)需經(jīng)歷理論萌芽、概念論證、實(shí)踐摸索，然后走上臨床應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，那么目前腦機(jī)接口技術(shù)還處于臨床應(yīng)用之前的個(gè)案探索階段，還無法直接遷移推廣。從特殊個(gè)例走向廣泛應(yīng)用的進(jìn)階之路，仍有待時(shí)日。”趙繼宗說。
不少專家也表示，2012年至今，隨著一個(gè)又一個(gè)“意念打字、意念喝水”的成功案例先后出現(xiàn)，人們看到硬件系統(tǒng)等的進(jìn)步，但未發(fā)生臨床實(shí)質(zhì)上的突破。“大腦的結(jié)構(gòu)、工作的機(jī)制尚不清楚。人在做某個(gè)動(dòng)作時(shí)需要通過特定的反射弧。反射弧是由感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器五個(gè)部分形成的一個(gè)神經(jīng)環(huán)路。腦機(jī)接口要實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)作，就要搞清楚腦部電極如何放置，以快速精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)想要的控制，而這一切仍在不斷研究中。腦機(jī)接口技術(shù)上的突破，有賴于腦科學(xué)基礎(chǔ)研究的突破，受制于人類對(duì)大腦的了解程度。”趙繼宗感慨。
看、聽、抓、握、讀、記，這些對(duì)普通人而言再簡單不過的動(dòng)作，背后卻是大量腦信號(hào)的采集、傳輸、編碼、解碼等一系列復(fù)雜過程。要實(shí)現(xiàn)與大腦感知、運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知等不同功能的連接與交互，硬件、機(jī)制、方法缺一不可。
因此，把電極植入大腦，亟待翻越三座大山。浙江大學(xué)南湖腦機(jī)交叉研究院常務(wù)副院長、教育部腦與腦機(jī)融合前沿科學(xué)中心副主任王躍明認(rèn)為，第一座大山是“物理硬件”——電極、芯片如何設(shè)計(jì)，才能使穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度更高，體積、功耗更小，使用壽命更長，生物兼容性更高，傷害更小；第二座大山叫“理論機(jī)制”——如何發(fā)現(xiàn)大腦功能（如運(yùn)動(dòng)）的編碼機(jī)制，理解大腦是如何執(zhí)行該功能的（如控制人類自身運(yùn)動(dòng)）；第三座大山則是“交互方法”——電極植入腦內(nèi)后，“腦-機(jī)”交互包括輸出與輸入，“出”的是如何將海量信息解碼、輸出，翻譯為控制指令，“入”的是如何將外部信息編碼、輸入，同樣是難題。
進(jìn)化生命
腦機(jī)接口，好比一個(gè)人類的“功能增強(qiáng)計(jì)劃”。科學(xué)家、創(chuàng)業(yè)者正競相攀登腦機(jī)接口技術(shù)的一個(gè)個(gè)山巔，逐級(jí)“改造”人類、實(shí)現(xiàn)生命“進(jìn)化”。
“人類的大腦有不同的功能，比如視覺、聽覺等感知功能，記憶、學(xué)習(xí)、思維、想象等認(rèn)知功能，以及運(yùn)動(dòng)功能。三者相比，聽覺恢復(fù)與增強(qiáng)相對(duì)容易，突破得最早。”王躍明說，人工耳蝸是迄今最成功、臨床應(yīng)用最廣泛的腦機(jī)接口技術(shù)。
“目前運(yùn)動(dòng)功能的增強(qiáng)正在逐步實(shí)現(xiàn)，許多‘意念喝水’實(shí)驗(yàn)都是例證。”王躍明進(jìn)一步預(yù)判，此后有望逐步實(shí)現(xiàn)的是感知中的視覺功能，而記憶等復(fù)雜功能依然有待研究。
交流的增強(qiáng)，可以說是社會(huì)動(dòng)物的一大剛需。其中，“意念打字”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并相對(duì)成熟。2019年10月的第三屆中國腦機(jī)接口比賽上，天津大學(xué)一名碩士生以最高每分鐘691比特的腦控打字解碼速度（相當(dāng)于每分鐘輸出69個(gè)漢字）超越了普通人手機(jī)觸屏打字的速度。
這讓人樂觀暢想“意念打字”的下一步。還記得劉慈欣科幻小說《三體》中三體人之間的交流嗎？兩人無需開口，便可直接通過腦信號(hào)進(jìn)行溝通，或直接向另一個(gè)大腦發(fā)送信息。不像語言表達(dá)的模棱兩可、詞不達(dá)意，腦機(jī)接口介入后的“腦腦交互”也許會(huì)是一種徹底的、無信息扭曲的“心心相印”“心領(lǐng)神會(huì)”。
這也是馬斯克創(chuàng)建的神經(jīng)科技公司Neuralink未來10年的一個(gè)新愿景：開發(fā)與大腦雙向交流的植入式腦機(jī)接口。爭取用10年左右，實(shí)現(xiàn)“讀心”、人與人“心靈感應(yīng)”。
技術(shù)的進(jìn)化已經(jīng)夠快了，但有時(shí)，它來得還是太遲了。2018年，霍金去世，這位困在輪椅上、擁有“超級(jí)大腦”的科學(xué)家一生飽受疾病折磨，在他生命中的最后光陰，僅能通過眼球轉(zhuǎn)動(dòng)指揮電腦“打字”，與世界“對(duì)話”，每分鐘僅能緩慢輸出1~2個(gè)單詞。如果腦機(jī)接口的突破再快一些，那些逝去的“超級(jí)大腦”們將留下多少寶貴財(cái)富？
更多的“如果”與更遠(yuǎn)的“未來”一樣，是難以預(yù)言的。一兩百年前的人們就算竭盡所能去暢想，也難以預(yù)料“手機(jī)在手、什么都有”的21世紀(jì)初的智能生活，以及下一個(gè)50年在人工智能加持下，生命甚至可以在“自行設(shè)計(jì)”中進(jìn)化。
從粒子的特殊排列組合，到重組物質(zhì)、能量、信息，再到與智能的交融，生命這種形態(tài)歷經(jīng)數(shù)百萬年的美麗綻放，終將超越我們祖先最不羈的夢(mèng)想。
