开启思想控制机器的时代

　　沙比奥：有了意念控制器，只要用想的，就可以控制机器人。从那时起，人类连手指都不用动就可以生活了。

　　大胖：太羡慕了，简直像天堂一样！

　　强夫：我也想生活在这样的星球上！

　　沙比奥：……真的这么想吗？可是，那并不是天堂。

　　——机器猫迷宫之旅

　　文/王艳红

　　一块植入大脑皮层的芯片，使瘫痪病人能够用思想来操作计算机和机械手。用思想控制机器的时代已曙光初现，但现实与科幻小说是有差距的。

　　思想控制机器

　　生于美国马萨诸塞州的马特纳戈尔(Matt Nagle)曾经是个普通的高中生，结实健壮，擅长橄榄球。2001年，20岁的纳戈尔在海滩上卷入了一场争斗，脖子上被刺了一刀。这一刀不仅结束了他的运动生涯，还彻底夺去了他的行动能力：由于脊髓严重损伤，颈部以下的身体完全瘫痪。

　　他本来只能躺在轮椅里，最简单的事情也要依赖别人。但现在情形有些不同：在一次特殊的试验中，他成功做到了调节电视机的音量、切换频道，然后在计算机上把光标挪到一封电子邮件上。打开邮件，里面是一句令人欣慰的话：“你做得非常好。”

　　是的，非常好，这些动作都是纳戈尔自己完成的，虽然他自己并没有动一下手指——事实上他仍然不能动，只是用脑子想着要做这些事。在他的大脑皮层主管运动的区域有一块微小的芯片，它可以记录神经活动信号并将其传输到体外的一台特殊设备。后者从神经活动中解读出纳戈尔的意愿，将之转化为指令，发送给电脑或电视机。

　　这块芯片名叫“大脑之门”，由美国布朗大学的神经学家约翰多诺汉开发，马萨诸塞州的网络动力学公司(Cyberkinetics)制造。芯片非常小，比一枚一美分的硬币还要小很多。芯片上有100个电极，其中96个能够用于记录神经信号。每个电极长1毫米，排成10×10的阵列，电极间彼此相距400微米。

　　芯片放置在纳戈尔大脑皮层的第一运动区，这是控制自主运动的主要区域。一股13厘米长的电线把芯片与一个钛制基座相连，基座固定在纳戈尔的头骨上。芯片记录的信号通过基座传输给外部设备，经过放大和解码，最终变成指令。在文章的配图中，纳戈尔正在用思想控制面前屏幕上的光标，试图将它移到那个橙色小方块里。

　　在“大脑之门”的帮助下，纳戈尔还能用思想控制一只机械手张开或合上、抓起一块糖放到旁边，甚至用机械手捏了负责这项研究的多诺汉先生一下。

　　解读大脑的秘密

　　相对于帮助瘫痪患者恢复活动能力的实用需求，这点成绩似乎还不值一提，更不要说与科幻小说中人体与电脑结合的强大“改造人”相比。

　　但是，这点成绩也是汇集几十年来神经科学、计算机科学和工程学成就的巅峰之作，芯片复杂度和系统性能都是迄今同类实验里最高的。此前在给大脑植入芯片的实验中，人只能用思想控制计算机光标做有限的水平运动。

　　我们的一切思想、智慧与行动，归根到底都源于神经活动。那充满褶皱和沟壑的大脑皮层，是身体的最高指挥机关。其他部位的神经传送和执行来自脑部的指令，而脊髓是周围神经与大脑的通路。

　　很多瘫痪患者的脑子还是好的，能够正常发出指令，只是传令通道或最终执行者那里出了问题。“大脑之门”和一些类似研究的目的，就是绕开已经运转失灵的肢体，直接获取大脑指令，用人工系统来执行它们。

　　一个根本困难在于，解读大脑指令的难度胜过解读军事密码，因为脑中有数以百亿计的神经在不停地活跃、休息、死去和新生。而对这个超级复杂的系统，我们了解得还太少了。无论多么精密的电子系统，跟大脑相比都粗笨简单得可笑。

　　人类对大脑的了解还只是沧海一粟，我们差不多仍然可以把脑看成一个完全的黑箱：能够看到它的运算结果，却不知道箱子里面到底是怎么运作的。幸运的是，即使是黑箱，只要它的活动并非杂乱无章，在足够多的尝试之后，多少能摸索出一些规律。

　　科学家借助电子装置研究猴子和人的大脑活动已有多年历史，当然这其中许多基础研究并不是为研制大脑芯片而做的。

　　最早的脑电图仪发明于20世纪30年代，通过在头皮上放置电极来接收脑部活动产生的电信号。用思维控制机器的最早试验是利用脑电图仪做的，这至今仍是一个重要的研究方向。

　　但是，脑电图仪接收到的信号是亿万脑神经活动的“平均结果”，相对模糊。如果能够直接接收单个神经产生的信号，解读出的指令将精细得多。

　　“大脑之门”的优与劣

　　每个人大脑运作的基本原理相同，但具体细节是不同的。所以，每个人在使用思维控制机器的系统之前，都需先对系统进行“初始培训”，使之适应自己的脑部活动方式。比如实验者想着左右上下等不同方向，系统记录不同想法对应的信号，从中总结规律，学会理解这位实验者的想法。这个过程有点像人在陌生的国家学习一门新的语言。

　　在“大脑之门”实验中，纳戈尔只花几分钟就完成了对系统的“培训”，很快就能使系统正确地按他的意图去打开电子邮件、玩简单的电脑游戏、控制机械手等。现有的脑电图仪系统需要花几星期甚至几个月去适应特定的人，“大脑之门”在速度方面要优越得多。

　　有关“大脑之门”的实验成果发表在2006年7月13日的英国《自然》杂志上。同一期杂志还发表了美国科学家哥帕尔圣塞南等人的文章，讨论了另一种解读神经信号的软件方法。

　　目前，包括多诺汉在内的其他科学家都是把神经活动解释成一只虚拟的手或计算机光标的轨迹运动，圣塞南等人则试图把问题简化，以加快解读过程。

　　他们的研究目标是猴子大脑里的另一个区域——运动前区，这是参与制订运动计划的区域。通过接收该区域的信号，圣塞南等人不去追究运动过程本身，而是预测运动的目标所在。打个比方说，传统方法是分析路线：“往南300公里，再往西100公里”，而新方法则是直接预测：“目标洛阳。”

　　在经过尝试和优化后，新方法能够在250毫秒内从约100个神经活动里提取出正确的目标位置。这大概相当于每秒处理6.5个比特的信息，人用这个速度每秒可以打出15个(英文)单词，比现有技术都要快。

　　如果这种方法加以改造后能应用于大脑芯片，可望进一步提高“大脑之门”等类似装备的性能。但植入芯片的做法也有很多缺点。撇开性能不谈的话，一种要在脑子上钻孔开口塞东西的技术，绝对不如戴一顶帽子(现在的一些脑电图仪大致可以看作是某种帽子)就行的技术吸引人，这也是为什么虽然脑电图仪在信号解读精度方面居劣势，却仍然得到许多研究者的青睐。

　　对脑袋动刀无论如何都令人畏惧，电线穿过的地方有感染风险，芯片能稳定工作多长时间也很成问题。“大脑之门”现在用的外部解码装置也太庞大，头上总连着这么一大堆东西的话，实在是很不方便。要让这种芯片真正用来提高瘫痪患者(其中许多是年轻人)的

　　一些科学家还希望能用大脑芯片在脑与运动神经之间建立新的通路，帮助患者恢复肢体活动能力。但这涉及到一些非常深奥的问题(比如本体感受——人为什么闭上眼睛也能知道自己身体各部分的位置)，所面临的不止是技术困难，还需要基础研究方面的突破。

　　环球杂志授权使用，其他媒体如需转载，请与本刊联系。

　　相关专题：《环球》杂志