从一万个到一百万个电极，人脑和机器能直接通讯吗？

昨天(8月1日),在南方科技大学和腾讯共同主办的首届“青年科学家50?论坛”上,由腾讯赞助的“科学探索奖”历届100位获奖人,基于对当今科学热点问题的思考和对科学发展趋势的判断,提出了“十大科学技术问题”。其中一个广受公众关注的问题是“人脑和机器是否能实现直接通讯?”

对此问题的直接回答是:“可以,而且此技术已有多年的研究历史。”目前的主要动机是想要帮助运动和感知功能受损的残障人士,但技术发展和商业动力不会止步于此。未来会怎样?我们请美国乔治城大学神经科学系教授吴建永对此做个幻想未来。除却目前的繁琐技术,可能的走向是什么?他认为,脑机接口技术的未来发展可能完全脱出俗套,需要解决的科学问题远多于技术问题。

撰文 | 吴建永(美国乔治城大学神经科学系教授)

我先对题目里的“直接通讯“咬文嚼字一下,所谓的“直接”是什么意思。按理讲我们都明白,人脑和机器直接通讯就是往脑子里插电线呗。但是,随着技术的进步,人机通讯可以不用“插电线”,而用超声,用光,用磁场或微波来进行。另外“电线”的定义也会随着技术进步越来越模糊。比如,用无线传输代替穿过头皮和头骨的电线。又比如,利用与神经细胞大小类似的无线芯片实现通讯,这样电线虽然还是有的,却只在“最后一微米”存在,变成镀在硅片上的薄层金属膜,一边是个神经细胞,另一边是个COMS晶体管。甚至用神经细胞膜直接当做场效应管的栅极。

所以,我把“直接通讯”理解为“绕过天然的五官或肌肉,让神经细胞与电子线路进行直接的信息交换”。

为什么要绕过感官和肌肉呢?目前的主要用途是帮助感官损坏或不能活动的残障人士获得比较高的生活质量。我们都看到过能让截瘫病人打字、吃油条、喝可乐的新闻。

由于脑机接口带来的道德考虑,目前脑机接口的受众主要是残疾人。然而随着技术不断完善,应用会逐渐变宽,“帮助残障人士”的界限也变得模糊了。比如阿尔兹海默症失忆患者将来有可能利用脑机接口来增强记忆,恢复生活自理的能力。那么记忆差的人是否也能用脑机接口增强记忆?继续发展下去就变成帮正常人增强记忆和思想活动的工具,比如所谓"脑读”设备,利用脑机接口驱动的搜索引擎,数据库等等。设想一下不用考大学,甚至根本不用上大学就能考满分的感觉多么“好”(这种魔幻的生活什么样?有兴趣的读者可阅读我几年前写的《装上脑机接口是个啥体会?| 小炉匠沙龙》)。

回忆一下第一次工业革命的机器帮助了人类的肌肉,把铁锹变成挖掘机就掀起了社会巨变,就不难设想人脑与机器间实现高速通讯会造成怎样天翻地覆的社会变革。到时候,大脑高度互联的超级文明会不会终结目前建立在个体松散连接基础上的人类文明?

这里不讨论人类文明结束以后的事,只谈谈想在这个巨变之前,我们作为目前社会中松散连接的渺小个体,怎样改进脑机接口技术,逐渐让脑机接口变得更安全可靠、更强大。

脑机接口的基本原理

我们知道神经细胞利用电信号来相互通讯。神经细胞的电信号是短促的放电(图1A),听起来像收音机里劈劈啪啪的静电噪声。如果在神经细胞旁边放一个电极,就可以接收到神经的放电(图1B)。同样,这个电极也可以把外界的电流送过来,这个神经细胞受电流影响就会放电(图1C)。这样,电极与神经细胞之间就实现了双向的收发通讯。这个双向通讯从大脑的角度看,神经细胞接受外部电流引起放电就叫产生“感觉(sensory)”,而神经细胞放的电通过电极送出去就导致了“运动(motor)”。

图1 脑机接口基本原理 A 左为大脑皮层中的神经细胞,中为神经放电的电信号,放电信号很短促,只有大约千分之一秒。右为同一个细胞的一串放电。神经信息是编码在其放电的个数、频率(单位时间内放电数目)以及不同神经细胞之间的协同等几种形式上的。B 当一个电极靠近神经细胞时,神经细胞发出的放电信号(黑色竖线)就能被电极接收。电极的构造是一个导电的尖端(红色)和后面的电线构成。电线周围包裹着绝缘层(蓝色)以防止漏电。C 当给电极通上电流时,神经细胞会受电流的影响而放电。图中红线代表通电流的时间和强度,黑线代表神经细胞的放电。

脑机接口的电极一般包含一个导电的尖端和一根外裹绝缘层的长电线。尖端用来接收和发送电信号,而后边外裹绝缘层的电线则用于远距离传输时防止漏电。从细胞的尺度上看,几厘米的距离已经是千山万水了。所以,实现脑与机器直接通讯在原理上是十分简单的,只需要用电极靠近神经细胞就行了。但从技术上看,又不那么简单:电极尖端与神经细胞需要靠得很近,距离稍远信号就可能被噪声淹没。而尖端太近了可能会破坏了那个神经细胞,使这条通路失效。所以尖端的尺度、电极插入的方法、电极材料能与脑组织相容性、电极杆是否足够细、能否随脑组织飘动而不引起损伤等等,都是困扰现今脑机接口应用的技术性问题。