虎嗅注：
用意念控制瘫痪的手臂；给大脑开一个类似USB一样的接口；在实验室外也可进行基因组测序；从病人呼出的气息中“闻”出疾病。
这些听起来可能像科幻小说里的前沿科技，正在一步步走进我们的生活。
科技的下一个前沿究竟会是什么？它们又会给我们的生活带来多大变革？以下三篇文章会提供一些答案。
为了给虎嗅会员寻找全球的好内容，虎嗅正式和《经济学人·商论》展开合作，每月向虎嗅会员提供两篇其付费专享内容，本文由《经济学人·商论》一月刊中三篇文章《神经技术：下一个前沿》、《DNA测序：尽在掌握的基因组》、《医疗诊断：气味追踪》合并而成。
1
神经技术
脑机接口可能会改变对人的定义
人们常用“具变革性”来宣传某种技术。对威廉·科切瓦尔（William Kochevar）来说，这个词并无夸张。一次自行车事故后，科切瓦尔自肩部以下瘫痪，但还是能自己用手吃饭。这个非凡的成就部分要归功于植入他右臂用来刺激肌肉的电极，但真正施展魔力的还在更高的部位：科切瓦尔可以用意念控制手臂。他移动手臂的意图反映在他大脑运动皮层的神经活动中，而他大脑中的植入物会探测到这些信号并将之转化成指令，激活他手臂里的电极。
用这种方式解码思想听起来可能像科幻小说。但是像科切瓦尔使用的“脑门”（BrainGate）系统之类的脑机接口证明思维控制的确可以实现。研究人员仅凭人们的神经活动就能知道他们听到了哪些词语、看到了哪些图像。信息还可以经编码用于刺激大脑。超过30万人已经植入了人工耳蜗，这种装置把声音转换成电信号，再将信号传入大脑，帮助人们听到声音。科学家还曾将数据“注射”到猴子的大脑里，通过电脉冲命令它们做出动作。
脑机接口的研究进程正在加快，并且越来越雄心勃勃。美国军方和硅谷都开始关注大脑。Facebook希望能实现“思想转文字”，让大脑直接输出文字。创业公司Kernel获得了一亿美元的融资，用于研发神经技术。伊隆·马斯克成立了一家名为Neuralink的公司，他认为人工智能出现后，人类如果还想生存下去，就需要升级。在企业家们设想的世界中，人们可以通过心灵感应与他人或机器交流，或是获得超人般的能力，比如能听到非常高频的声音。
这些能力即便真能实现，也要到几十年后。但在那之前，脑机接口或许会打开通往非凡新应用的大门。想象一下，人类或许可以通过刺激视觉皮层来帮助盲人视物，为中风患者建立新的神经连接，或是监控大脑是否有抑郁症的迹象。脑机接口将神经元放电转化为一种可利用的资源，在此过程中或许会改变对人的定义。
思维的感觉
持怀疑态度的人对此嗤之以鼻。事实证明，把医用脑机接口从实验室带到临床实践中就非常困难。科切瓦尔使用的“脑门”系统是十几年前开发的，但试用过的人屈指可数。将植入物变为消费品更加难以想象。脑机接口要成为主流面临三大难以逾越的障碍：技术、科学和商业。
先说技术。像脑电图（EEG）这样的非侵入性技术很难透过层层皮肤、骨骼和脑膜来提取高分辨率的大脑信号。这项技术有所改进，体现在用来玩虚拟现实游戏和仅靠思想控制工业机器人的脑电图帽上。
但至少在目前，那些最具雄心的应用仍需要能与大脑神经元直接交互的植入物。现有的设备也有很多缺点，例如都有穿过头骨的电线，还会引起免疫反应，且只能与人类大脑850亿个神经元中的几百个交流。但这种情况可能很快会改变。随着微型化技术的进步以及计算能力的提高，研究人员正在努力制造安全、无线且能与几十万个神经元交流的植入物。它们当中有些解读大脑的电信号，另一些则尝试利用光、磁和超声波信号。
攻破了技术壁垒，还要面对另一个障碍。大脑仍然是个非常陌生的领域。科学家们对于它的确切工作原理知之甚少，如果涉及记忆形成这样的复杂功能就更是如此。在动物身上的研究进展更快，但在人体上试验却很困难。不过即便是目前，我们还是加深了对大脑某些部分的了解，如运动皮质。而且这方面的知识并不总要面面俱到。机器学习可以识别神经活动的模式；大脑自己也能游刃有余地控制脑机接口。神经技术还将揭示更多大脑的秘密。
就像开“脑”洞
第三个障碍是难以实现商业化。医疗设备获批需要时间、资金和专业知识。而消费应用只有具备对人们有用的功能时才能大行其道。有些脑机接口的应用并无必要，比如，要想不动手指就能打字，使用好的语音助手比使用大脑植入物更便捷。
认为消费者会哭着喊着要做开颅手术的想法似乎也很离谱。但是在某些情况下，大脑植入物已经是一种成熟的治疗手段。大约有15万人通过电极接受深脑刺激，帮助自己控制帕金森氏症。激光眼科手术也已证明选择性手术可以成为常规手术。
所有这些都表明，要抵达神经技术先锋们设想的未来，道路虽艰辛，但仍可实现。无论一个问题有多难，一旦人类发挥创造力，赌它无法被攻克就是不明智的。
随着技术进步，也许在几年内人们就会开启与大脑沟通的新渠道。很多最先投入应用的脑机接口都是为了实现非常明确的效果：恢复运动和感知能力。但随着应用转向增强人体能力——无论是用于军事目的还是消费活动，就会产生种种担忧。隐私是一个突出的问题：内心声音的庇护所可能会消失。
另一个问题是安全：如果能够通过互联网连接上大脑，那么它也可能被黑客攻击。还有第三个问题：不平等。除了自我永续的精英，也许再无人能承担得起获得超人般的认知能力。伦理学家已经开始为机器被引入神经回路所引发的身份认同和主体性问题挠头。
这些问题并不紧迫。但更重要的一点是，它们都不属于纯粹幻想。科技改变人类的生存方式。头骨之下是下一个前沿。
2
DNA测序
有了小型便携设备，在实验室外也可进行基因组测序，让基因组尽在掌握
从前用来分析DNA的仪器又大又笨重，效果也不太理想。上世纪90年代末首次开展的人类基因组测序工程要用上数百台这样的设备，耗时十余年才完成，耗资至少五亿美元。自那以后，这项工作已变成常规流程，价格也降到了1000美元以下。尽管这类机器已经变得更加精良和小巧，但价格仍高达数十万美元。众多机构正在尝试开发更小、更便宜的机器。
首款小到可以放入口袋的仪器已经上市。其生产者是位于英国牛津的DNA测序设备制造商牛津纳米孔公司（Oxford Nanopore）。这台仪器的尺寸与比较厚实的手机接近，虽然有专利保护，但今后其他微型测序仪迟早也会问世。
这台测序仪名为MinION，使用时先将其接入一台笔记本电脑。它的工作方式是将DNA链吸入由大量小孔构成的“流动槽”，小孔直径仅为几纳米（一纳米相当于一米的十亿分之一）。当不同形状的分子沿孔内通过，流经小孔表面的电流就会发生变化。DNA链是由四种名为碱基的子单元构成，它们形状不同，因此可通过纳米孔测序来测定这些碱基的序列——同时获取基因携带的信息。
繁忙的实验室对测序结果的精确度要求较高，需要更大、更复杂的仪器来满足，纳米孔公司的测序仪并不是这类仪器的直接竞争对手。MinION的用处是在户外开展基因测序。仪器本身的费用为1000美元，搭配用的流动槽的使用寿命为几个月，批发价约为500美元。到目前为止，MinION已完成了多种微生物的DNA测序：有的是从南极大陆的雪上刮下来，有的是从斯瓦尔巴（Svalbard）群岛的冰川上沾取，还有的是从威尔士废弃煤矿深处的死水塘中抽吸上来。纳米孔测序技术还被用来为2015年在西非暴发的埃博拉病毒测序。
不过，这项技术并没有简单到把样本从仪器的一端放入就能得出结果的程度。要使用真正的便携式测序仪，测序样品小型化以及样品制备自动化很有必要。要提取DNA，须将生物样本的细胞打破，这一流程叫作细胞溶解。提取的DNA要达到足够的纯度，以保证读取结果不受污染。这个任务很有难度，需要操作者接受过一定的生物化学训练，通常还会用到离心机和昂贵的试剂。牛津纳米孔公司对该技术的细节守口如瓶，不过眼下该公司正在开发一个名叫Zumbador的小型仪器，并宣称该仪器将会自动完成样本制备。
实地解码
目前很多用户还不排斥自己制备样本，通常是因为有了MinION就不必再等某个实验室发回结果了。大型食品公司玛氏（Mars）正在中国的生产线上测试这款仪器，检测特定种类的病原体，如沙门氏菌和大肠杆菌。该公司已经仔细检查了设备和产品，看它们是否被这些病原体污染。但玛氏食品安全中心的主任毕睿博（Robert Baker）表示，目前的系统可能需要几天或几周才能发回结果。他希望，等到自动制备样品的功能实现，就可以通过实时监控几乎即刻发现问题。玛氏还将扩展细菌检测的范围：目前的测试仅针对特定微生物，而基因组测序可以识别出任何有可能出现的细菌。毕睿博说，从初步结果来看，该技术前景看好。
基因组测序也非常适合用来调查食品的来源。若干年前，英国一些超市中被标示为牛肉的肉类商品竟含有马肉，这场丑闻过后，人们对测试核查肉类产品的产地和种类产生了需求。英国熟肉制品供应商Cranswick正与华威大学（University of Warwick）合作，利用手持测序仪分析从包装肉类中提取的DNA样本，来确认是哪种动物的肉。
在发展中国家，现场测序的好处更加显著。坦桑尼亚和乌干达的农业研究人员计划利用牛津纳米孔的测序仪来识别引起木薯病害的病毒。全球大约有5.5亿人（大多数是非洲人）以木薯为主食，但通过白粉虱传播的褐条病病毒等灾害却可能令产量减少40倍。位于达累斯萨拉姆（Dar es Salaam）的米科切尼农业研究所（Mikocheni Agricultural Research Institute，简称MARI）和位于坎帕拉（Kampala）的国家农作物资源研究所（National Crops Resources Research Institute）已采集了样本，试图识别病毒的种类并帮助农民种植抗病性更强的作物。不过这些样本得送到澳大利亚、韩国或瑞士的实验室测序，流程可耗时数月。在9月开展的一个试点项目中，西澳大学（University of Western Australia）的农学家劳拉·博伊金（Laura Boykin）和MARI的负责人约瑟夫·登戈如（Joseph Ndunguru）使用手持测序仪，在48小时内将病毒种类的数据发送给了农民。
牛津纳米孔的首席技术官克里夫·布朗（Clive Brown）认为，随着便携测序设备变得更快速、更精确，今后将有可能出现一种测序仪，人人都可用来获知周遭事物的基因组特征。只要用这个仪器触碰一下某物，不管是血液、唾液还是超市里的鸡肉，就能获得其基因组特征。在过去，基因测序需耗时多年，但也许很快就可以随时随地开展这项工作了。
3
医疗诊断
气味追踪，一种新型小工具能从病人呼出的气息中“闻”出疾病
众所周知，医学之父希波克拉底（Hippocrates）曾用气味辅助诊断。一代又一代的医生继承了这种方法。例如，他们认为人在感染梅毒后会带有特定的气味，而烂苹果味意味着糖尿病。今天，事情已经变得更加复杂。
在实验室中，各种挥发性有机化合物（VOC，由生物体释放的气体）已被确定为从乳腺癌到霍乱等特定疾病的标识物。本月早些时候，一篇论文报道了疟疾的“呼吸印记”。然而，尽管人类已经掌握了这些知识，却一直未能出现一种“疾病呼吸分析仪”。
其中的障碍在推行任何新型诊断工具时都很常见——问题并不在于技术上是否可行，而在于是否能证明在医生使用时，它们能够可靠、有效地工作。总部位于英国剑桥的Owlstone Medical公司认为自己已经开发出了这样一个小工具。它的呼吸分析仪目前正在进行几项大型试验。
其中一项名为LuCID，正在欧洲招募4000名患者来测试肺癌早期诊断——肺癌常因确诊太晚而难以治疗。另一项试验与沃里克郡NHS信托基金合作，尝试在1400人中筛查早期结直肠癌（现有筛查方法的成功率仅为9%）。慈善机构英国癌症研究中心（Cancer Research UK）正在评估这种仪器在及早发现大批其他癌症上的作用，包括膀胱癌、乳腺癌、头颈癌、肾癌、食道癌、胰腺癌、前列腺癌和脑癌。
用途并不限于癌症。Owlstone已与药品公司达成了几项协议。11月27日，它与葛兰素史克公司（GlaxoSmithKline）签约，使用它的仪器来检测哪些患者对慢性阻塞性肺病的治疗有响应。一家名为4D Pharma的小公司正使用该设备来进一步了解病人体内的微生物群——也就是每个人身上携带的细菌大军，从而能够有针对性地提供药物。
Owlstone的仪器之所以会引发那么多的兴趣，一个原因是其发展史有完备的记载。其中涉及的基本技术已运用多年，为军事客户检测用于化学战的毒剂。在用于医疗的版本中，人呼出的气体会通过一个传感器，令VOC电离而带有电荷，而后根据分子在振荡电场中移动的速度来给它们分类，由此得到一种化学指纹，或称“呼吸活检”，过程中不必使用化学品、针头或试剂。
细节上免不了更为棘手。一方面，每个人呼出的气息都不一样，如果要可靠地识别出疾病信号，那么这种设备就必须能够克服这种天然的差异。但如果试验成功，将带来巨大的效益。广泛的筛查可以帮助发现许多种症状发展缓慢的疾病。
英国的医生正在尝试向有吸烟史的超市购物者提供CT扫描，因为这些人比大多数人更可能患有未发现的肺癌。但CT扫描成本高且辐射不小。呼吸活检既便宜又无风险。如果它们能证明自己的价值，将为疾病诊断带来一股新鲜的空气。
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