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關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口；EEG信號；腦腦通訊 撰 文 拉杰什·拉奧（華盛頓大學(xué)的計算機(jī)科學(xué)教授 感知運動神經(jīng)工程中心主任） 安德烈·斯托科（華盛頓大學(xué)心理系和學(xué)習(xí)與腦科學(xué)研究所助理教授） “沃森先生，請到這里來?！?38年前，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾第一次用電話說出了這句話，一場通信革命從此掀起。如今，人們即使身居不同大陸，也能夠通過手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)毫無障礙地通話、通信及視頻交流。 但語言交流仍有局限。一些抽象概念和情感并不容易通過文字表達(dá)。一部分殘疾人無法和他人正常交流，盡管他們的思維能力和常人無異。 數(shù)十年來，神經(jīng)科學(xué)家一直在尋找解決上述問題的辦法。一種叫做腦機(jī)接口（brain-computer interface，簡稱BCI）的技術(shù)逐漸成熟，可以讓癱瘓病人用腦信號控制電腦光標(biāo)或假肢。BCI 用一些數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從病人的腦信號中提取出移動的意圖，并將該信息傳達(dá)給病人希望控制的裝置。 多年前，拉奧想到：或許我們可以用同樣的原理實現(xiàn)人腦與人腦之間的通信。想象下，教師可以直接把數(shù)學(xué)證明傳入你的大腦，而不用口頭教授；醫(yī)學(xué)系的學(xué)生可以從導(dǎo)師的大腦中直接學(xué)會復(fù)雜的手術(shù)技能。這類想法一直是科幻作品中的重要題材，比如《星際迷航》中瓦肯人的心靈融合，以及《阿凡達(dá)》電影中的截癱者控制阿凡達(dá)等。 我和拉奧在多次對話中（我們均在華盛頓大學(xué)任教）認(rèn)識到，實現(xiàn)這種技術(shù)的最基本的設(shè)備已經(jīng)有了，盡管能實現(xiàn)的功能十分初級。和其他科學(xué)家一起，我們正在尋找可以讓大腦直接交換思想的技術(shù)，使人類突破傳統(tǒng)交流手段的桎梏。 讓老鼠的尾巴抬起來 我們的想法是使用腦電圖技術(shù)（簡稱 EEG），即在人的頭皮上安置很多電極，記錄人的腦電波。記錄到的神經(jīng)活動看似充滿噪聲，但實際上包含了人類思維的信號。我們希望可以提取出這樣的信號，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給第二個人。也就是說，這個信號決定了我們要給接收信號的人的大腦施加怎樣的電刺激。因為神經(jīng)元通過電信號互相交流，我們可以施加電流或磁場（或是用其他技術(shù)），以特定方式影響大腦內(nèi)部的信息傳導(dǎo)過程。 簡單來說，我們根據(jù)一個人的大腦信號，讓另一個人的大腦產(chǎn)生特定的神經(jīng)活動模式。
當(dāng)我們開始測試這個想法時，已經(jīng)有另外兩個神經(jīng)科學(xué)研究組實現(xiàn)了大腦間的信號傳輸，不過他們的研究不是在人腦上做的。到目前為止，包括我們的研究在內(nèi)的所有實驗均是對這個概念的簡單驗證：一方扮演發(fā)送者，另一方扮演接收者。我們的最終目的是希望實現(xiàn)大腦間的雙向通信，但我們相信這兩個階段之間并沒有不可逾越的鴻溝。 杜克大學(xué)的米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）率先實現(xiàn)了大腦間的通信。2013年上半年，他發(fā)表了一項研究，成功地在身處不同大陸的兩只大鼠之間傳遞了一些簡單信號。不多久，另一項用人作為信號發(fā)送者的研究也成功了。這項研究中，6個受試者通過 EEG 裝置各自向一只麻醉的大鼠發(fā)送命令。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的柳承世（Seung-Schik Yoo）和同事還使用了一項新技術(shù)——向特定腦區(qū)發(fā)送穿透顱骨的高度聚焦的超聲波。 當(dāng)人類受試者決定移動大鼠尾巴時，他的腦電波信號會觸發(fā)超聲波裝置，向大鼠大腦發(fā)射一個超聲波脈沖。這個350kHz 的脈沖對準(zhǔn)了大鼠的運動皮層，因此兩秒后，老鼠的尾巴會抬起來再放下。 另一個大腦 和柳承世的工作類似，我們的實驗也是用 EEG 提取控制信號。拉奧實驗室有著從 EEG 信號中提取控制意圖的豐富經(jīng)驗，所以這一步很簡單。問題在于提取出神經(jīng)信號以后，我們該如何把它“輸入”另一個大腦。幸運的是，本文的另一位作者斯托科和錢特爾·普拉特 （Chantel Prat）當(dāng)時正在研究經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，簡稱 TMS）。這是一項已被美國食品及藥品管理局批準(zhǔn)的技術(shù)，可以用于治療重度抑郁癥。這種技術(shù)是利用磁場脈沖，誘導(dǎo)大腦特定區(qū)域的神經(jīng)元放電。 實驗時，研究人員會在受試者頭部附近放置一個絕緣線圈來產(chǎn)生脈沖。線圈通電時，線圈附近的神經(jīng)元周圍會有磁場形成。線圈斷電后，磁場就會消失。磁場的突然變化將會使磁場內(nèi)的神經(jīng)元產(chǎn)生微弱的電流，促使神經(jīng)元放電。當(dāng)這個區(qū)域的神經(jīng)元放電時，與之相連的一系列神經(jīng)元也會被激活。 當(dāng)線圈放置在合適位置時，特定的磁場變化會讓人做一些不自主的運動。雖然使用 TMS 的目的通常不是為了讓人做不自主的運動，但我們意識到，可以利用這一點讓受試者做一些簡單動作。在我們的研究中，斯托科的左側(cè)運動皮層上方置有 TMS 線圈，這里的神經(jīng)元控制著他的右手動作。經(jīng)過一系列參數(shù)調(diào)整，我們找到了刺激控制斯托科手腕的神經(jīng)元的合理設(shè)置，可以讓他的手抽動。 我們決定用一個雙人電子游戲測試我們的腦腦接口（brain-to-brain interface）。實驗室的學(xué)生們花了數(shù)月時間編寫程序、整合各種技術(shù)，終于在2013年8月12日，我們成功開展了這個實驗。拉奧扮演信息的發(fā)出者，斯托科則是接收者。 游戲中一艘海盜船正在向城市發(fā)射火箭。玩家需要發(fā)射火炮，攔截每發(fā)火箭。只有拉奧可以看到游戲畫面，但只有斯托科可以按下發(fā)射火炮的按鈕。所以拉奧需要在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)，形成“發(fā)射”這個想法，然后幾秒種后斯托科則會收到這個信息，并按下按鈕。 拉奧頭上戴了一個貼得很緊的帽子，上面嵌有32個電極，可以測量頭部不同位置的電活動變化。在任意時刻，大腦中不同的神經(jīng)元群的電活動可能都會以不同的頻率發(fā)生波動。當(dāng)拉奧想象著移動自己的手時，EEG 電極會記錄到一個可以被軟件檢測到的信號。該信號的特征是，電活動的低頻波動會有明顯下降。一旦檢測到這種特征的信號，我們就會通過互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送一個指令，刺激斯托科的大腦。 斯托科自己并不會意識到這個刺激，盡管如此，他的右手還是會運動。刺激會導(dǎo)致他抬手，當(dāng)手落下時會敲擊鍵盤并在游戲中發(fā)射火炮。成功了！這是有史以來第一次有人直接把自己的意圖傳達(dá)到另一個人大腦中，讓兩個大腦協(xié)作完成任務(wù)。隨著實驗進(jìn)行，我們在游戲中的表現(xiàn)越來越好，最后我們幾乎可以100%攔截海盜的火箭。拉奧學(xué)會了如何以同一種方式來想象移動自己的手，使電腦可以從 EEG 數(shù)據(jù)中找到規(guī)律。斯托科同時還發(fā)現(xiàn)，除非他感覺到或看到自己的手在動，否則他并不知道自己的手腕在動。 我們后來又在其他幾組人類受試者身上重復(fù)了這個發(fā)現(xiàn)。雖然不是每次結(jié)果都很完美，但總體來講，只要發(fā)送者的意圖被 EEG 系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測到了，它就可以通過 TMS 直接傳入接收者大腦中。在這些實驗中，每個受試者都知道各自扮演的角色，并且愿意合作解決這個問題。每次海盜的火箭被擊中時，發(fā)送者就知道對方成功接收到了自己的意念，并按下了開火按鈕。我們認(rèn)為這種有意識的合作是腦腦通信的真正目標(biāo)，這一特點在動物實驗中很難實現(xiàn)。 然而這個簡單的實驗有一個缺陷：接收者的角色是被動的，他本質(zhì)上只是借了只手給發(fā)送者用而已。接下來我們將設(shè)計新的實驗，對接收者的其他腦區(qū)發(fā)送信號，產(chǎn)生有意識的、主動的想法。例如，我們可以向另一個大腦發(fā)送視覺信號，而不再是運動信號。接收者會突然看到——比如說一片綠色，然后明白應(yīng)該做相應(yīng)的行動。一個研究組已經(jīng)用和我們相同的技術(shù)，在人腦間發(fā)送了簡單的視覺信息。 這些簡單的實驗看上去離電影中傳輸復(fù)雜思維的“心靈融合”還差很遠(yuǎn)，但我們相信，弄清楚如何傳送感覺信息和運動信息是十分重要的。對于大腦如何傳輸感覺和運動信號，我們已經(jīng)有很多認(rèn)識，而關(guān)于大腦如何產(chǎn)生復(fù)雜思想和想法，比如怎樣解微分方程、判斷哪座城市是拉脫維亞的首都等，我所知尚少。而且很多科學(xué)家都認(rèn)為感覺和運動信息是構(gòu)筑更復(fù)雜知識的基本要素。只有掌握了傳送簡單信號的技術(shù)，我們才能去嘗試傳送更復(fù)雜的概念。 腦腦通信 我們暢想了該技術(shù)在未來的幾種應(yīng)用。例如，正在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的病人可以從治療師那里直接接收加速恢復(fù)的方法。不能說話的殘疾人可以用這種技術(shù)直接把自己的想法和感受傳遞給他們愛的人。 當(dāng)然，用技術(shù)提高大腦能力并不是什么新鮮事。我們用汽車和飛機(jī)增強(qiáng)了運動能力，用書籍和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了記憶容量，用計算機(jī)和智能手機(jī)提升了分析和交流能力。腦腦通信技術(shù)增強(qiáng)的可能會是人類社會性的一面——和他人分享想法的天然需求。 假若科學(xué)家和工程師真的有一天實現(xiàn)了真正的腦腦通信，這種技術(shù)一定會在道德方面產(chǎn)生深刻的影響。技術(shù)是把雙刃劍，小到廚房的餐刀，大到基因工程均是如此。 腦腦通信也不例外。很多科幻作品中都有壞人將大腦植入技術(shù)濫用在邪惡目的上的情節(jié)?，F(xiàn)在的世界中各個裝置高度互聯(lián)，安全和隱私被人們高度重視，而在大腦可以互聯(lián)的未來，這兩個問題只會變得更加關(guān)鍵。神經(jīng)安全研究者需要開發(fā)出高度安全的通訊協(xié)議，把腦腦通信的風(fēng)險降到最低。政策制定者也需要通過相關(guān)的法律，最大限度減少技術(shù)的濫用。 我們必須捫心自問：腦腦通信帶來的好處能否抵過它的風(fēng)險？這種技術(shù)會如何改變?nèi)祟愡M(jìn)化的軌跡？社會會因為它變得更好嗎？我們的實驗提醒人們，或許現(xiàn)在就該開始討論這些問題了。 |
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