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脑机接口：用意念控制电脑的人

晰数塔互联网快讯
2022-06-17 10:49

神译局是36氪旗下编译团队，关注科技、商业、职场、生活等领域，重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按：人的大脑与身体形成了非常紧密的关系，大脑的想法要靠身体去执行。但对于瘫痪患者来说，这件事情变得非常困难或者不再可能。不过，在有了脑机接口之后，瘫痪病人又重新看到了希望。甚至对于健全人来说，脑机接口还让自己有了成为超人的可能。不过，这种技术也会引发大规模的道德危机。本文探讨了脑机接口技术的进展情况，文章来自编译。

一、用意念开无人机的德格雷

2006 年 10 月 10 日晚，丹尼斯·德格雷（Dennis DeGray）的灵与肉几乎分离了。出去钓了一天的鱼之后，他回到加州太平洋丛林市的家中，然后意识到自己还没有倒垃圾。当时雨下得很大，所以他决定两手提着袋子从家门口冲到外面的垃圾桶那里。结果在跑的时候因为踩到了橡树下的一块黑色霉菌，他滑倒了，重重地摔到了下巴，在颈椎的第二和第三根椎骨之间发生了断裂。

在康复期间，当时 53 岁的德格雷从医生处得知，他的颈骨以下已永久瘫痪。除了退化性抽搐以外，他的躯干或四肢都已经不能动了。他告诉我：“我受尽了折磨，又不能上呼吸机。”事故发生之后的几年时间里，他“只能躺着看历史频道。”努力接受自己受损伤的现实。

一段时间之后，在一次干细胞研究的筹款活动中，他遇到了斯坦福大学神经外科教授杰米·亨德森（Jaimie Henderson）。两人谈起了机器人，这是小时候就在家里的机械车间转来转去的德格雷一直以来十分感兴趣的话题。根据德格雷的回忆，亨德森的一个问题把他给迷住了：你想开无人机吗？

亨德森说，他和同事一直都在开发脑机接口：将人的大脑与计算机、机器人肢体或无人机外部设备进行实验性的连接，然后人就可以用意念来控制这些设备。德格雷非常渴望参与这样的实验，于是在等待实验开放以及签署必要的许可期间，他搬到了门洛帕克，以便离斯坦福更近。 2016 年夏天，亨德森掀开了德格雷的头骨，裸露出了他的皮层，也就是大脑薄薄的、有皱纹的最外层，然后往里面植入了两个 4 毫米 x 4 毫米的电极阵列，样子跟微型针床有点类似。每个阵列均配置了 100 个微小的金属突起，它们共同记录了随运动皮层约几百个神经元一起涌动的电脉冲，而运动皮层这个大脑区域与自主运动有关。

经过了一段恢复期之后，亨德森的几个合作者来到德格雷家中，把他安排在电脑屏幕前。屏幕上显示着一个由八个 25 美分硬币大小的白点组成的圆环，而这些白点会轮流发出橙色的光。德格雷的任务是只靠自己的意念将光标移向发光的点。而科学家们则将线缆连接到德格雷头部突出的金属基座上，将记录在他大脑里面的电信号传输给解码器：也就是附近一个由运行机器学习算法的计算机组成网络。

这些算法的开发者是神经科学博士生大卫·布莱德曼（David Brandman），他通过 BrainGate 这个联盟与斯坦福团队合作。他设计的算法可以快速地将不同的神经活动模式与相关的预期手部运动联系起来，而且每两到三秒就更新一次，理论上可以让这种关联逐步变得更加准确。如果说德格雷头骨里面的神经元就像钢琴上面的音符的话，那么他的独特意图就类似于独特的音乐作品。比方说，举起手的意图会与一段神经旋律吻合，试图将手向右移动又会对应另一段神经旋律。当解码器学会识别德格雷想要做出的移动后，就会发送指令把光标移动到相应的方向。

布莱德曼让德格雷想象一个可以让他直观地控制光标的动作。德格雷盯着电脑屏幕，脑子开始琢磨该怎么开始，他想起了电影《人鬼情未了》里面的一慕，已经死去的萨姆（Sam Wheat，帕特里克·斯威兹饰）用看不见的力量让一枚硬币滚动，向他的女友证明了自己的幽灵还在。德格雷于是想象自己用手指去推动光标，就好像它是那枚硬币，用意志力推动它朝目标挪动。尽管他的手无法动弹，但他还是用尽了全力去这么做。布莱德曼惊喜地发现解码器的运算速度如他所愿。在 37 秒之内，德格雷控制光标到达了第一个发光点。几分钟之内，他已经连续命中了数十个目标。

作为长期临床研究的一部分，全世界只有几十个人的皮层组织嵌入了神经接口。德格雷现在是当中最有经验也是最敬业的人之一。自参与试验以来，他已经花费了 1800 多个小时，接受过近 400 次的训练课程，参与用意念去控制各种形式的技术。他玩过电子游戏，操作过机器手臂，发过短信和电子邮件，在亚马逊上买过东西，甚至还开过无人机，尽管目前只是操控模拟器，但在所有这些事情的过程中他都没有动过一根手指。德格雷和类似的志愿者正在一起探索一项前沿技术，如果成功，它有可能从根本上改变人类与机器的交互方式。

自 1950 年代以来，科学家、工程师就一直在建立脑机接口并进行研究。鉴于大脑的行为有多少仍然是个谜，尤其是我们仍不清楚这三磅重的电果冻是如何产生意识的，总体来看，这些系统的成就颇为显著。瘫痪个体通过神经接口已经学会了在数字键盘上演奏简单的曲子，能够控制外骨骼足够灵巧地操纵机器假肢喝一瓶水。今年 3 月，一支国际科学家团队曾发表了一项研究，记录了全身瘫痪的患者首次通过脑机接口靠一个一个字母地造句来表达自身需求。

神经接口还可以在大脑与机器之间建立双向的沟通路径。Nathan Copeland曾在一场车祸中造成胸部以下瘫痪，但2016年的时候，他不仅能够用机械手与奥巴马总统拳对拳，假肢回传信号到他大脑的电极，刺激到他的感觉皮层时，他还得以亲身体验到了触感。通过大脑成像技术与神经网络的结合，科学家们还破译并部分重建了人们脑海形成的图像，产生了类似于风化的宝丽来或斑驳油画的效果。

大多数开发脑机接口的研究人员表示，他们主要感兴趣的是治疗应用，也就是恢复瘫痪或其他残疾人的运动和交流。不过，这种技术的潜力显而易见，加上越来越多的知名初创企业也加入了研发的行列，这些都表明了存在扩大采用的可能性：在未来，除了恢复失去的能力以外，神经接口还会增强人们的先天能力，并赋予他们新的能力。

在地球生物的历史长河里，我们还从未遇到过与肉体分离的心灵。高度复杂的认知一直都是置放于一个错综复杂的肉体构架内，比如八只吸盘式的触手、毛茸茸的四肢，一束羽毛与一个喙。人类科技往往会放大躯体的内在能力，或者通过身体将思想延伸到周围的环境之中。艺术和写作、农业和工程：所有人类的创新都依赖也因此受制于身体操纵大脑设计的任何工具的能力。如果脑机接口兑现承诺的话，那么影响最深远的结果也许就是：我们的物种可以超越这些限制，通过思想与机器新的融合而绕开身体。

二、脑机接口的历史

1893 年的一个春天，在德国维尔茨堡的一次军事训练演习中，19 岁的汉斯·伯杰（Hans Berger）从马背上摔了下来，差点被大炮的轮子压死。同一天早上，他的姐姐在 60 英里外的科堡突然有了不祥预感，并说服她的父亲发封电报去询问弟弟的情况。这种像是心灵感应的预感让伯杰感到着迷，于是他开始研究其心灵的奥秘，并以 1920 年代发明脑电图 (EEG) 而告终：利用附着在头皮上的电极，EEG可以记录大脑的电活动。他的仪器产生的振荡模式第一次记录了人类大脑细胞的颤动，让人想起了地震仪的涂鸦。

在接下来的几十年里，科学家们又学会了记录、操纵和引导大脑电信号的新方法，在思想与机器之间建立起更加精致的桥梁。 1964 年，西班牙神经生理学家何塞·曼努埃尔·罗德里格斯·德尔加多 (José Manuel Rodríguez Delgado)给一头公牛大脑嵌入了由无线电控制的电极，然后通过遥控让这头冲锋的公牛停了下来。 1970 年代，加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔（Jacques Vidal）创造了脑机接口这个词，并证明人可以用意念引导光标穿过一个简单的虚拟迷宫。到 2000 年代初，杜克大学神经科学家 Miguel Nicolelis及其合作者发表的研究表明，植入神经接口的猴子可以用意念控制机器假肢。 2004 年，肩部以下瘫痪的Matt Nagle成为第一个做到这件事情的人。后来他又学会了如何用自己的意念来打乒乓球、切换电视频道、打开电子邮件，以及在电脑屏幕上画一个圆。

此后，脑机接口领域取得成就的步伐大大加快，这部分要归功于人工智能的快速发展。通过将部分必要的计算与对人类用户意图的预测（这种预测与手机或电子邮件现在具备的那种人工智能辅助文本预测不一样）自动化，机器学习软件大大提高了神经接口的效率和准确性。去年，加州大学旧金山分校神经外科医生 Edward Chang 以及十几位合作者发表了一项具有里程碑意义的研究，研究阐述了神经接口如何在让一名 36 岁的瘫痪男子15 年多来第一次可以发声。Pancho 20 岁时遭遇了车祸和严重中风，此后便丧失了清晰表达语言的能力。在约 20 个月的时间里，他们在Pancho的感觉运动皮层上方放置了 128 个盘状电极，这些电极记录了他尝试大声说话时与语音处理和声道控制相关的大脑区域的电活动。解码器将不同的神经活动模式与不同的单词建立关联，并在语言预测算法的帮助下，最终学会了以每分钟15 个单词的速度破译他的意图，平均准确率达到了 75%。尽管与英语典型的讲话速度（每分钟 140 到 200 个单词）相比要慢，但与许多严重瘫痪患者可用的点击式交流方法相比已经快很多了。

在去年发表的另一项开创性的研究当中， Jaimie Henderson 与生物医学工程师 Francis Willett 和电气工程师 Krishna Shenoy 等同事一起，又提供了一种同样令人印象深刻但完全不同的神经接口通信方法。当丹尼斯·德格雷想象自己用笔在记事本上写字时，试图重现每个字母所需的不同手部动作时，科学家们记录了大脑神经元的放电情况。为了让系统能够可靠地识别每个字母特有的神经活动模式，并在屏幕上输出单词，他在心里默写了成千上万个单词。结果表明，这种方法非常成功。德格雷最后做到了每分钟输入多达 90 个字符或 18 个单词——是他之前用光标和虚拟键盘输入速度的两倍多。他是全世界用意念打字最快的打字员。他说：“有时候我冲得太快了，以至于显示出来的就是模糊不清的一大片。因为我的注意力太过集中，所以他们忘了提醒我要呼吸的情况并不罕见。”

迄今为止，脑机接口的成就主要靠侵入性与非侵入性技术的结合。包括与德格雷合作的科学家在内，这个领域的许多科学家都需要靠犹他州 Blackrock Neurotech公司生产的尖状电极阵列，用外科手术的方式嵌入。众所周知，这种阵列可以区分单个神经元的信号，为连接的设备提供更精细的控制，但嵌入手术可能会导致感染、炎症并留下疤痕，最终可能会导致信号强度下降。放置在颅骨外的接口，比方说依赖脑电图的头戴设备，目前仅限用来侦听神经元组的集体放电，尽管确保了安全，但却牺牲了能力和精度。雪上加霜的是，实验室研究的大多数神经接口都需要用笨重的硬件、繁杂线缆以及计算机，而大多数商用接口本质上属于用来玩基本的视频游戏、玩具以及应用的遥控器。这些商用头戴设备没法解决任何的现实问题，而临床研究使用的那些系统虽然更加强大，但对于日常使用来说太不切实际了。

鉴于此，埃隆·马斯克的Neuralink开发出了柔性聚合物电极线，上面嵌入了 3000 多个微小电极，然后连接到瓶盖大小的无线与信号处理器，以及可以通过手术将这种电极线植入到大脑的机器人，通过避开血管来减少炎症。 Neuralink已经用动物测试了这套系统，并表示将在今年开始人体试验。

总部位于纽约的Synchron则开发了一种叫做Stentrode的设备，这种设备的好处是不需要开颅手术。这是一个可自膨胀的管状电极网格，长度为4厘米，通过颈静脉植入到大脑的主血管里面。一旦放置到位， Stentrode可检测运动皮层附近神经元组产生的局部电场，并将记录的信号中继到嵌入胸部的无线发射装置，然后再传送给外部解码器。 2021 年， Synchron成为第一家获得 FDA 批准，可对永久性植入式脑机接口进行人体临床试验的公司。到目前为止，已有四名不同程度的瘫痪患者植入了Stentrodes，他们有的还结合了眼动追踪等其他辅助技术的使用，可以做到在家中无人监督的情况下控制个人电脑。

Philip O'Keefe，62 岁，来自澳大利亚格林代尔。他在 2020 年 4 月接受了Stentrode的植入。由于肌萎缩侧索硬化症（ALS，俗称渐冻症），O'Keefe 没法走远，没法移动左臂，而且把话说清楚的能力也在逐渐丧失。他解释说，刚开始的时候，他必须把精力全部集中在想象操作该系统所需的动作，比方说，想象移动左脚踝不同的时间长度。不过他说： “但你用得越多，就越像骑自行车。到了一定阶段之后，你就再也那么认真地去思考要做的动作了。而是想要执行什么功能，比如打开电子邮件、滚动网页还是输入一些字母。” 去年12 月，O'Keefe 成为全球第一个通过神经接口在Twitter 上发帖的人。他在脑海里写道：“不用敲键盘或者发声。我用意念写出了这条推文。#helloworldbci”

神经学家，Synchron的创始首席执行官 Thomas Oxley认为，在成本和安全性方面，未来的脑机接口会是介乎 LASIK （激光视力矫正手术）与心脏起搏器之间的水平，可帮助残疾人恢复与周围环境以及快速演进的数字环境的互动能力。他说： “此外，如果这项技术能够让任何普通人更好地与数字世界互动的话，那将是真正有趣的地方。为了表达情感，表达想法——现在你为了把大脑所发生的事情传达出去所做的一切都必须通过肌肉控制来实现。但脑机接口最终将超越人体限制，实现信息的传递。从这个角度来看，我认为人脑的能力将会增强。”

目前还没有一种技术可以在人类思想一旦出现就尽快传递出去。手指和拇指的移动永远不够脑子快。而且很多形式的信息处理更适合用计算机而不是人脑。Oxley推测，也许可以用神经接口来增强人类的记忆力、与 GPS 直连来增强先天的导航技能，这样可以大幅提高人类大脑的计算能力，并创造出一种新的交流形式，让情绪可以无声地从一个头脑“抛给”给另一个头脑。Oxley说： “这只是这个领域的曙光初现，我们作为一个物种的相互交流方式即将出现改变。”

三、脑机接口的伦理困境

塔斯马尼亚大学的哲学家 Frederic Gilbert 十多年来一直在研究神经技术所带来的伦理困境。通过深入采访，他和其他一些伦理学家记录了部分人对神经植入物的不良反应，其中包括自我疏远、更加容易冲动、躁狂症、自残以及企图自杀。 2015 年，他前往南澳大利亚的佩诺拉，拜访了 54 岁的Rita Leggett，她的经历截然不同，但同样令人不安。

几年前，Leggett 参与了某个脑机接口的首次人体临床试验。这种接口可通过手持蜂鸣器警告癫痫患者癫痫即将发作，给患者留出足够的时间去服用稳定的药物，或者去到安全的地方。有了植入物之后，她感到更加自信，更有能力了，而且焦虑感也大大降低。久而久之，这个东西已经变得与她的身份密不可分了。她告诉Gilbert 说：“它就是我，它变成了我。有了这个设备，我找到了自己。” 2013 年左右，制造这种神经接口的公司NeuroVista因为没法获得新的资金而倒闭。尽管有她反抗过，但 Leggett还是接受了拆除。这件事情让她极为不安。Gilbert说：“她与设备的共生关系太深了，”当设备被拆除时，“她遭受了创伤。”

其他公司的情况与此惊人相似，工程杂志《 IEEE Spectrum 》最近的一项调查显示，由于收入不足，总部位于洛杉矶的神经义肢公司 Second Sight 已停止生产，为卖出给全球各地 350 多名视障人士的仿生眼提供的服务大部分也中止了。至少有一个人的植入物已经失效，无法修复——这种情况也可能会发生在很多的其他人身上。一些参与了 Second Sight 最新神经接口（直接刺激视觉皮层）临床试验的患者已经移除了这种设备，或者正在考虑这么做。

如果复杂的脑机接口应用最终可以突破医疗，成为大众也可以用的消费品，那么相关的道德考量就会成倍增加。在 2017 年一份对神经技术的述评中，哥伦比亚大学神经生物学家 Rafael Yuste与 24 位同事曾确定了四个主要关注领域：增强，偏见，隐私与许可，以及主体和身份。神经植入物有时会导致患者的自我认知发生令人不安的变化。有些人报告说感觉自己像一个“电子娃娃”，形成了一种模糊的自我意识。如果有人犯罪然后把责任推给植入物的话，法律制度将如何界定是谁的过错？随着神经接口和人工智能的发展，这些冲突可能会加剧。

我采访过的所有科学家和工程师都承认神经接口会带来伦理问题，但大多数人更关注的是许可和安全，而不是他们认为还很遥远或未经证实的隐私和主体问题。在学术科学研究的世界里，这项技术合适的未来边界在哪里仍存在争议。

在私营板块，如果说会提到道德的话，那也往往是热衷的注脚。随着确保拿到融资和商业化的压力越来越大，惊人有时甚至是可怕的豪言壮语出现激增。德国创业者兼投资人Christian Angermayer曾表示，他有信心在 20 年内人人都用上脑机接口。他去年在 LinkedIn 上发帖称：“这个基本上会变成大脑的输入输出设备，造福很大一部分社会。人们会直接利用这些接口进行思想的相互交流，完成工作，甚至创作精美的艺术品。”马斯克说，Neuralink的最终目标是实现“与人工智能的共生”，这样人类就不会被超级智能机器消灭、征服或“甩在身后。他曾在 Twitter 上说：“如果不能打败他们，那就加入他们。”称这是“ Neuralink的使命宣言”。被迫离开Neuralink的前总裁Max Hodak后来又创立了一家新公司，叫做 Science 。他梦想用神经植入物让人类的感觉器官“直接可编程”，从而创造出一个“比特世界” : 一个平行的虚拟环境，一个清醒的梦境，只要闭上眼睛就会出现。

四、人机共舞

今天，68 岁的德格雷仍然住在门洛帕克的疗养院内，他在十年前选择的那个靠近斯坦福的地方。六年前亨德森植入到他大脑的那两个电极阵列，以及为外部机器提供连接点的突出金属底座都还在。大多数时候，他感觉不到它们的存在，尽管意外的敲门声会在他的头盖骨内回响，就好像敲锣一样。他平常的生活仍要考护理人员全天候的关注以及一套包括语音命令和头部运动跟踪在内的辅助技术。他可以坐在呼吸控制的轮椅上四处走动，但走远的话会很费力。他大部分时间都是在电脑上看新闻、科学研究以及小说。他说： “我真的很怀念书，书闻起来很香，拿在手上的感觉很好。”

德格雷个人参与的脑机接口研究已成为他生活的重心。斯坦福的科学家平均每周会到他家两次，继续他们的研究。他说：“我自称是试飞员。我的责任是每天早上起飞一架漂亮的新飞机，做各种折腾。之后工程师再把它拖回机库并修好，然后第二天我们再做一遍。”

在激活自己的神经接口时，德格雷究竟经历会经历什么要取决于他的任务。比方说，在尝试用手部动作控制光标时，“整个世界都可以归结为《素描刻蚀》（Etch A Sketch）。你就只有上、下、左、右。”这种控制会逐渐变得非常的直接和直观，感觉就像是他意念的无缝延伸。相比之下，在三维下操纵机器人手臂是一个更加互惠的过程：“我不会让它做任何事情。它用最多用途的方式与我合作。我们两个在一起就像跳舞一样。”

在不会破坏或危及健康的情况下，这些电极阵列可以在人脑内保留多长时间？没人知道答案。尽管德格雷随时可以要求移除，但他想一直参与这项研究。他说： “我觉得自己在这里所做的事情是对自己的一种肯定。如果我因为某种原因被迫退出项目的话，我会心碎的。”

然而，对于植入在他头骨里面的这项技术的长期未来，他却有点矛盾。他说： “其实我在担心这个问题上花了好些时间。我确信它会被滥用，因为所有新技术刚出现的时候都是这样。它应该在我们的文明里面处在什么位置？希望这个可以推动人们对此有所了解。我认为到头来你必须相信人性本善——否则的话，你永远都不会去追求任何的新技术。你得开发出来，让它变现，然后看看它的发展。这跟养小孩一样：你只能养一段时间，然后就得让他们进入社会，自己管好自己了。”

译者：boxi。