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植入這東西能控制你的大腦?


植入這東西能控制你的大腦? 1

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  這種納米級設備與你的神經元無縫嚙合。

  文/BRIAN GALLAGHER

  來源:神經現實(ID:neureality)

  肖恩·帕特爾(Shaun Patel)的聲音很平和。一聽,就容易明白他是怎麼說服病人讓他在腦子深處搗鼓實驗的。在他位於麻省總醫院的辦公室裡(他也是哈佛醫學院的一名教員),這位神經科學家在電話中講起灰質,聲音柔和,像是他正領著我做冥想。又或許,他聲音中的興奮異常來自於他正詳述自己剛發表在《大腦》(Brain)上的一篇論文。

  在這篇論文裡,他展示瞭如何通過病人大腦的植入物刺激靠近大腦中心的尾狀核,從而加強大腦的學習能力。他告訴我,控制電脈衝的時長得剛剛好,主要取決於一輪衝擊中那些處於活躍學習階段的神經元的放電活動。一次完美時長的脈衝能加速他的病人作出正確聯想。他說,通過利用類似的方法,他已經引導被試者在財務選擇上顯得更保守。他的病人甚至沒有註意到這一點。他們以為自己的選擇真的是自發作出的。

  這只是個前奏,帕特爾和他的哈佛同事——一位納米技術先驅——查爾斯·雷柏(Charles Leiber)研究的“精密電子醫學”才是重頭戲。帕特爾和雷柏一起共事,已經在開發一類新型的腦機接口。這種新型接口不會被大腦識別為異物。在《自然-生物科技》中,他們解釋道,這樣神經網絡般的網格會給神經退行性疾​​病與神經精神疾病提供新的治療方式,控制最先進的義肢,還能增強人類的認知。對於我來說,這樣的描述聽起來就像從伊隆·馬斯克的劇本里摘下的一頁:馬斯克和他的公司Neuralink正打賭,一旦人類能與機器融合在一起,我們將對人工智能的威脅高枕無憂。

  和帕特爾聊天的時候,我們討論了Neuralink對大腦區域的新探索、大腦的語言,以及他怎麼看待通過人機結合增強人類的前景。帕特爾憧憬著一套新的大腦控制方式,但這與一個反烏托邦的未來無關。 “這純粹是好奇所致,”他說。這一好奇心在一堂講變態心理學的神經科學課就開始了。 “那節課講的全是些有趣的精神疾病,它們讓人做出難以想像的反常舉動,”他接著說,“我們大腦裡有神經元釋放動作電位,即一些電壓的瞬時變化。這些神經元與其他神經元相互連接,由此產生交流。在有關這些疾病的解釋裡,這些交流最終導致那些反常行為。但沒人能更詳細地解釋這類現象背後的實際機制了。 ”自此之後,帕特爾立志要搞明白這一點。

圖片來源:肖恩·帕特爾圖片來源:肖恩·帕特爾

  肖恩·帕特爾指出,當年也許有人對晶體管有著“宏大願景”。晶體管是現代電子學的關鍵所在,或許是二十世紀最偉大的發明。 “但你很難想像這些人能夠預料得到晶體管今天的進步。”而他認為自己今天對網格接口的想像也有類似的局限,“我們只能盡力猜測,但它在未來的成就依然是不可想像的。”

  下面是和肖恩·帕特爾的對話

  

  和我們說說你正在做的腦植入網格吧。

  這些(網格)是徹頭徹尾被重新構想的接口。神經組織的密度超乎人類最瘋狂的想像。我們有神經元、星形膠質細胞、神經膠質細胞以及這些細胞裡更小的組成部分。這些接口極小,尺度與腦細胞相當。同時它們還極其靈活。它們能在被植入的時候不引發免疫反應或者副作用。這一特性徹底改變了我們應用神經電子學來治療腦部障礙的思路。要是你能理解大腦的語言和編碼,理解它在空間上定位的神經放電模式,你也就能用電刺激的方式將信息人為地輸入大腦,以控制思維和行動。

  

  要掌握大腦的潛能,理解神經編碼是關鍵所在嗎?

  通過理解神經編碼,我們就能解鎖融合大腦與機器的技能。這種神經組織狀的電子設備是首批有可能讓我們大幅提升對神經編碼理解的技術。因為它們能和大腦本身和諧共處——它們可以較為持久地記錄一組神經元,時間長達一年以上。

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  如果人普遍接入電子網格的那一天到來,大腦會產生什麼變化,我們對大腦的理解又會有什麼改變?

  一件會發生的有意思的事情是,我們將擁有一個特殊的機會來想想看如何給大腦輸入新類型的信息。不論你通過一個穩定的腦機接口構想了些什麼,大腦都將學會識別這些模式並且賦予這個器官意義,這就如光線照射視網膜,空氣分子震動耳蝸。眼睛和耳朵不過是我們建構的兩類傳感器——穩定的接口——而你可以想像一類新傳感器,在大腦發育的同時與之整合。

  大腦才不管輸入的信息是什麼。與我們以往認為的不同,神經元的相互聯結並不是由某種特定程式完成的。不同的神經元識別線與角,其他神經元編譯顏色、運動和視差等等原始的視覺特徵。這些神經元把他們的軸突伸向大腦其他部分,隨後那些部分結合、重組這些原始特徵。我們對當前視野的感知來自這個過程。這是一個分解和重組世界的過程。要做到這一切,大腦需要經過一系列試錯,反饋,樹突剪切等發展過程。

  

  一個新的接口處理之下,新的輸入會給我們的知覺領域或者心理空間帶來什麼呢?

  這就屬於幻想與推測了。但新的輸入會帶來什麼——或者更可能是帶走什麼——是我們面臨的桎梏。 (接口的)帶寬只有這麼多。有篇最近發布的特別有趣的論文,它展示了人世間各種語言承載信息的能力是大致相同的,這相當意外和有趣。我認為通過人體器官溝通,語言承載信息的速率是39比特。而腦機接口則能通過技術——或是攝像頭或是互聯網或不論什麼——來減少帶寬上的限制。你可以把這想像為與某人的信息處理中心進行直接溝通。

  

  你怎麼看待伊隆馬斯克和他的公司 Neuralink 開發的腦機接口?

  他們的接口是基於過去已經在開發的技術路線的延續。馬斯克顯然是一個在解決難題方面出了名的人,而我認為我們開始著手的正是一個非常棘手的問題。要達到他們今天的程度肯定要付出相當多的努力。如果你想對產品進行商業化,在構造和生產這些東西中包含的許多技術細節是具有很高價值的,也是他們不會對外透露的——這些細節實際上也不大有趣。我很好奇一兩年後他們會達到什麼地步,但我不認為那將從根本上改變遊戲規則。

  這件事的挑戰在於你不可能讓接口深入大腦太多。並且植入接口意味著大腦的三維結構會有所改變。而對於電子網格,你可以把它植入在大腦的任意地方——它是三維結構,所以限制不多。這麼做,你應該能得到一些信息了。問題來了:你需要多少信息?要做到這個程度你需要什麼?簡單的答案是你得在非常穩定的接口裡有非常多的通道。這是你能設想的最極端好的接口了,做夢般好的接口。我認為電子網格就是這樣的存在。

圖片來源:哈佛大​​學雷柏研究組圖片來源:哈佛大​​學雷柏研究組

  “一種非常穩定的植入物”,肖恩表示,神經組織狀的電子(圖中的紅色物質,穿梭在表示成綠色的神經元中)是“構造穩定接口必不可少的一個組成部分” 。但在不論醫學或其他方面要以“有意義有用的方式”應用這種接口,還需要提升電池技術和微處理器設計,以及對大腦功能更充分的理解。 “成功總是差一點點的,不是嗎?”

  

  你相信腦機接口能把我們的認知能力增強到不必擔心被人工智能赶超的程度嗎?

  我不大清楚別人是怎麼看待這個問題的,但如果是我,我的重點不在於讓我們的大腦和人工智能一樣又快又好,而在於創造一個兩者之間的鏈接。假設我已經開發出了一種人工智能——可能是個機器人,也可能是個語音識別算法。我想做的是合併那個機器和我的大腦的帶寬。這不是說我想讓我的大腦下載世上所有的知識並且通過處理它們發明一套腦內算法。發明算法是谷歌的工作。我真正想做的是能夠利用那些感知輸入。

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譬如我波士頓的工作室就在水邊,我可能看著一艘船,琢磨著這是條什麼樣的船,要花多少成本:要是我的大腦能高帶寬地與一個信息倉庫建立聯繫,讓我提取其中的信息,如同直覺一般得到答案,那不是很酷嗎?這個倉庫說著我的大腦能聽懂的語言,因此這不同於看著手機屏幕瀏覽幾個不同的網站的情況。這才是我想像的腦機結合。

  

  你目前有將網格接入人體嗎?

  其實我們目前正在準備第一次人體試驗。可以想見,一旦植入的對像變成人,我們得做額外工作確保材料安全方面的問題,如何消毒等等額外的事。距離首次人體試驗已經很近了。

  

  你們的腦機接口會改變大眾看待腦部障礙的方式嗎?

  會,這真的十分激動人心。因為現在很多疾病都有非藥物療法了,尤其是認知層面的疾病,譬如心理疾病、神經退行性疾​​病。給腦部障礙貼標籤——諸如抑鬱症、強迫症和創傷後應激障礙——是糟糕的描述方式,因為這種方式沒有涵蓋症狀的複雜之處。那隻是試圖用一個詞概括一類複雜症狀。

  但設想,你有知識和能力通過解讀對應的神經編碼——選擇、學習和遺忘——來評估所有這些不同的認知功能。要是你能做到這一點,那麼你就能把一個複雜的疾病描述為一系列導致它的認知症狀的作用總和,對吧?例如抑鬱症,你或許能看到決策能力上的變化,你可能看到自主行動上的變化,你在多大程度上有意識地活動、探索、利用周遭環境。漸漸地,我們能開始想像我們如何能用數據量化這些症狀,而不是使用《精神疾病診斷與統計手冊》(DSM),它本質上只不過是個列出症狀的清單。

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  神經編碼,究竟是什麼?

  大腦用它來呈現信息。神經元就是個例子。看待一個神經元有很多方式。它是種很複雜的細胞,常見的是在動作電位的層級上理解它。你可以把它想作矽電路中的晶體管。晶體管使用二進制,用0或1。而一個神經元是類似的。它比起晶體管更複雜也更微妙,但它要么處在放電狀態,要么處在不放電狀態。人大概有860億個神經元,它們在特定時刻的狀態要么是放電的,要么是不放電的。在下一時刻,它們在自己所在的空間和時間模式中——此刻神經元在大腦中哪個位置,所連接的是哪個神經元——也是放電或不放電的狀態。

  這種編碼的模式,放電與否的模式,是一種語言。它像是有語法,有詞彙。而通過這種編碼,我們周遭世界的信息才得以呈現。編碼由我們的感知系統產生,來自聲香味觸之感。但這編碼也從我們的大腦自身產生,來自我們的記憶與經驗。我們的大腦能內部互聯、塑造個性,正是編碼的結果。正由於我的神經元組織放電的特定方式——特定的時間-空間模式與動作電位——我才得以呈現我周遭的信息,完成各類複雜的認知任務。

  

  我們目前理解多少神經編碼?

  我們理解了不少。基於神經活動來轉碼人類的語言模式的絕佳例子已經有好一些了。它通過解讀你的大腦活動,把你的想法說出口。有些是增強記憶的實例。有些是植入記憶的實例。我們理解神經編碼的進程十分驚人。

  

  神經組織狀的電子設備能幫助癒合腦損傷嗎?

  能。由於它們與大腦的相似性,這些神經組織狀的電子設備出現了一些腦機接口不曾考慮的有趣特性。人類大腦有兩個區域是神經源(neurogenic),這兩塊區域能產生新的腦細胞。為了抵​​達其他腦區,新的腦細胞沿著其他神經元搭造的腳手架移動,沿途到達神經元的一部分特定區域軸突,而軸突伸展觸及其他神經元。就這樣,神經元彼此連接。就這樣,我們在子宮裡發育,腦細胞得以各就其位。它們的移動得益於其他神經元搭造的路線。

  一個已經觀察到的現像是,神經元也沿著電子網格移動。這相當有意思,因為這為我們對於療法的思考開闢了一條全新的道路。若某人中風,大腦某個特定區域由於血液流動不足而缺乏氧氣和營養,這塊腦區會死亡。而如果你能通過電子網格的腳手架連接兩塊神經源腦區,打入新神經元的儲存庫,最終抵達由中風損傷的腦區,你就擁有了一個能重組腦細胞的新機制,有利於治療。

  

  你怎麼看待腦深部電刺激?

  腦深部電刺激提供電刺激以減輕不必要的症狀,就像心臟起搏器作用於心臟那樣。在譬如帕金森氏症的運動障礙裡,這種方法成效顯著。但到今天,這種方法尚受制於我們使用的技術,特別是接入大腦的電極。現存的大部分電極的特點是體積較大、質地較硬,而這金屬外來物同大腦的組成有著根本的不匹配。它還以開環的方式工作,這意味著它不給予反饋。如果你正睡覺,它仍然按指定量級輸送電流。它就是沒有變化。而你的大腦是個高度閉合的迴路。你伸手去夠一杯水,這時候你肌肉裡的本體覺纖維會回返信息,告訴你你的手正在哪。你的大腦則持續矯正你的動作,確保你的手能夠到目標。因此,如果你足夠了解神經編碼,足夠了解它呈現你打算治療的腦部症狀的方式,你就能想像,或許有更智能的方法來開關、加強刺激曲線,從而提升治療效果。

  參考文獻

  1.Bick, S.K., et al. Caudate stimulation enhances learning. Brain 142, 2930-2937 (2019).

  2. Coupé, C., Mi Oh, Y., Dediu, D., & Pellegrino, F. Different languages, similar encoding efficiency: Comparable information rates across the human communicative niche. Science Advances 5, (2019).

  翻譯:漢那

  校對:曹安潔

  編輯:Dianna、酸酸

  http://nautil.us/issue/77/underworldsnbsp/the-implant-that-c​​an-control-your-brain

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