植入这东西能控制你的大脑?
2019-12-26 10:07

植入这东西能控制你的大脑?

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:BRIAN GALLAGHER,翻译:汉那,校对:曹安洁,编辑:Dianna、酸酸,题图来自:Robyn Jackson


肖恩·帕特尔(Shaun Patel)的声音很平和。一听,就容易明白他是怎么说服病人让他在脑子深处捣鼓实验的。在他位于麻省总医院的办公室里(他也是哈佛医学院的一名教员),这位神经科学家在电话中讲起灰质,声音柔和,像是他正领着我做冥想。又或许,他声音中的兴奋异常来自于他正详述自己刚发表在《大脑》(Brain)上的一篇论文。


在这篇论文里,他展示了如何通过病人大脑的植入物刺激靠近大脑中心的尾状核,从而加强大脑的学习能力。他告诉我,控制电脉冲的时长得刚刚好,主要取决于一轮冲击中那些处于活跃学习阶段的神经元的放电活动。一次完美时长的脉冲能加速他的病人作出正确联想。他说,通过利用类似的方法,他已经引导被试者在财务选择上显得更保守。他的病人甚至没有注意到这一点。他们以为自己的选择真的是自发作出的。


这只是个前奏,帕特尔和他的哈佛同事——一位纳米技术先驱——查尔斯·雷柏(Charles Leiber)研究的“精密电子医学”才是重头戏。帕特尔和雷柏一起共事,已经在开发一类新型的脑机接口。这种新型接口不会被大脑识别为异物。在《自然-生物科技》中,他们解释道,这样神经网络般的网格会给神经退行性疾病与神经精神疾病提供新的治疗方式,控制最先进的义肢,还能增强人类的认知。对于我来说,这样的描述听起来就像从伊隆·马斯克的剧本里摘下的一页:马斯克和他的公司Neuralink正打赌,一旦人类能与机器融合在一起,我们将对人工智能的威胁高枕无忧。


和帕特尔聊天的时候,我们讨论了Neuralink对大脑区域的新探索、大脑的语言,以及他怎么看待通过人机结合增强人类的前景。帕特尔憧憬着一套新的大脑控制方式,但这与一个反乌托邦的未来无关。“这纯粹是好奇所致。”他说。这一好奇心在一堂讲变态心理学的神经科学课就开始了。“那节课讲的全是些有趣的精神疾病,它们让人做出难以想象的反常举动。”他接着说,“我们大脑里有神经元释放动作电位,即一些电压的瞬时变化。这些神经元与其他神经元相互连接,由此产生交流。在有关这些疾病的解释里,这些交流最终导致那些反常行为。但没人能更详细地解释这类现象背后的实际机制了。”自此之后,帕特尔立志要搞明白这一点。


肖恩·帕特尔指出,当年也许有人对晶体管有着“宏大愿景”。晶体管是现代电子学的关键所在,或许是二十世纪最伟大的发明。“但你很难想象这些人能够预料得到晶体管今天的进步。”而他认为自己今天对网格接口的想象也有类似的局限,“我们只能尽力猜测,但它在未来的成就依然是不可想象的。”图片来源:肖恩·帕特尔


下面是和肖恩·帕特尔的对话。


“和我们说说你正在做的脑植入网格吧。”


“这些(网格)是彻头彻尾被重新构想的接口。神经组织的密度超乎人类最疯狂的想象。我们有神经元、星形胶质细胞、神经胶质细胞以及这些细胞里更小的组成部分。这些接口极小,尺度与脑细胞相当。同时它们还极其灵活。它们能在被植入的时候不引发免疫反应或者副作用。这一特性彻底改变了我们应用神经电子学来治疗脑部障碍的思路。要是你能理解大脑的语言和编码,理解它在空间上定位的神经放电模式,你也就能用电刺激的方式将信息人为地输入大脑,以控制思维和行动。”


“要掌握大脑的潜能,理解神经编码是关键所在吗?”


通过理解神经编码,我们就能解锁融合大脑与机器的技能。这种神经组织状的电子设备是首批有可能让我们大幅提升对神经编码理解的技术。因为它们能和大脑本身和谐共处——它们可以较为持久地记录一组神经元,时间长达一年以上。”


“如果人普遍接入电子网格的那一天到来,大脑会产生什么变化,我们对大脑的理解又会有什么改变?”


“一件会发生的有意思的事情是,我们将拥有一个特殊的机会来想想看如何给大脑输入新类型的信息。不论你通过一个稳定的脑机接口构想了些什么,大脑都将学会识别这些模式并且赋予这个器官意义,这就如光线照射视网膜,空气分子震动耳蜗。眼睛和耳朵不过是我们建构的两类传感器——稳定的接口——而你可以想象一类新传感器,在大脑发育的同时与之整合。


大脑才不管输入的信息是什么。与我们以往认为的不同,神经元的相互联结并不是由某种特定程式完成的。不同的神经元识别线与角,其他神经元编译颜色、运动和视差等等原始的视觉特征。这些神经元把他们的轴突伸向大脑其他部分,随后那些部分结合、重组这些原始特征。我们对当前视野的感知来自这个过程。这是一个分解和重组世界的过程。要做到这一切,大脑需要经过一系列试错,反馈,树突剪切等发展过程。”


“一个新的接口处理之下,新的输入会给我们的知觉领域或者心理空间带来什么呢?”


“这就属于幻想与推测了。但新的输入会带来什么——或者更可能是带走什么——是我们面临的桎梏。(接口的)带宽只有这么多。有篇最近发布的特别有趣的论文,它展示了人世间各种语言承载信息的能力是大致相同的,这相当意外和有趣。我认为通过人体器官沟通,语言承载信息的速率是39比特。而脑机接口则能通过技术——或是摄像头或是互联网或不论什么——来减少带宽上的限制。你可以把这想象为与某人的信息处理中心进行直接沟通。”


“你怎么看待伊隆马斯克和他的公司 Neuralink 开发的脑机接口?”


“他们的接口是基于过去已经在开发的技术路线的延续。马斯克显然是一个在解决难题方面出了名的人,而我认为我们开始着手的正是一个非常棘手的问题。要达到他们今天的程度肯定要付出相当多的努力。如果你想对产品进行商业化,在构造和生产这些东西中包含的许多技术细节是具有很高价值的,也是他们不会对外透露的——这些细节实际上也不大有趣。我很好奇一两年后他们会达到什么地步,但我不认为那将从根本上改变游戏规则。


这件事的挑战在于你不可能让接口深入大脑太多。并且植入接口意味着大脑的三维结构会有所改变。而对于电子网格,你可以把它植入在大脑的任意地方——它是三维结构,所以限制不多。这么做,你应该能得到一些信息了。问题来了:你需要多少信息?要做到这个程度你需要什么?简单的答案是你得在非常稳定的接口里有非常多的通道。这是你能设想的最极端好的接口了,做梦般好的接口。我认为电子网格就是这样的存在。”


“一种非常稳定的植入物”,肖恩表示,神经组织状的电子(图中的红色物质,穿梭在表示成绿色的神经元中)是“构造稳定接口必不可少的一个组成部分”。但在不论医学或其他方面要以“有意义有用的方式”应用这种接口,还需要提升电池技术和微处理器设计,以及对大脑功能更充分的理解。“成功总是差一点点的,不是吗?”,图片来源:哈佛大学雷柏研究组


“你相信脑机接口能把我们的认知能力增强到不必担心被人工智能赶超的程度吗?”


“我不大清楚别人是怎么看待这个问题的,但如果是我,我的重点不在于让我们的大脑和人工智能一样又快又好,而在于创造一个两者之间的链接。假设我已经开发出了一种人工智能——可能是个机器人,也可能是个语音识别算法。我想做的是合并那个机器和我的大脑的带宽。这不是说我想让我的大脑下载世上所有的知识并且通过处理它们发明一套脑内算法。发明算法是谷歌的工作。我真正想做的是能够利用那些感知输入。


譬如我波士顿的工作室就在水边,我可能看着一艘船,琢磨着这是条什么样的船,要花多少成本:要是我的大脑能高带宽地与一个信息仓库建立联系,让我提取其中的信息,如同直觉一般得到答案,那不是很酷吗?这个仓库说着我的大脑能听懂的语言,因此这不同于看着手机屏幕浏览几个不同的网站的情况。这才是我想象的脑机结合。”


“你目前有将网格接入人体吗?”


“其实我们目前正在准备第一次人体试验。可以想见,一旦植入的对象变成人,我们得做额外工作确保材料安全方面的问题,如何消毒等等额外的事。距离首次人体试验已经很近了。”


“你们的脑机接口会改变大众看待脑部障碍的方式吗?”


“会,这真的十分激动人心。因为现在很多疾病都有非药物疗法了,尤其是认知层面的疾病,譬如心理疾病、神经退行性疾病。给脑部障碍贴标签——诸如抑郁症、强迫症和创伤后应激障碍——是糟糕的描述方式,因为这种方式没有涵盖症状的复杂之处。那只是试图用一个词概括一类复杂症状。


但设想,你有知识和能力通过解读对应的神经编码——选择、学习和遗忘——来评估所有这些不同的认知功能。要是你能做到这一点,那么你就能把一个复杂的疾病描述为一系列导致它的认知症状的作用总和,对吧?例如抑郁症,你或许能看到决策能力上的变化,你可能看到自主行动上的变化,你在多大程度上有意识地活动、探索、利用周遭环境。渐渐地,我们能开始想象我们如何能用数据量化这些症状,而不是使用《精神疾病诊断与统计手册》(DSM),它本质上只不过是个列出症状的清单。”


“神经编码,究竟是什么?”


“大脑用它来呈现信息。神经元就是个例子。看待一个神经元有很多方式。它是种很复杂的细胞,常见的是在动作电位的层级上理解它。你可以把它想作硅电路中的晶体管。晶体管使用二进制,用0或1。而一个神经元是类似的。它比起晶体管更复杂也更微妙,但它要么处在放电状态,要么处在不放电状态。人大概有860亿个神经元,它们在特定时刻的状态要么是放电的,要么是不放电的。在下一时刻,它们在自己所在的空间和时间模式中——此刻神经元在大脑中哪个位置,所连接的是哪个神经元——也是放电或不放电的状态。


这种编码的模式,放电与否的模式,是一种语言。它像是有语法,有词汇。而通过这种编码,我们周遭世界的信息才得以呈现。编码由我们的感知系统产生,来自声香味触之感。但这编码也从我们的大脑自身产生,来自我们的记忆与经验。我们的大脑能内部互联、塑造个性,正是编码的结果。正由于我的神经元组织放电的特定方式——特定的时间-空间模式与动作电位——我才得以呈现我周遭的信息,完成各类复杂的认知任务。”


“我们目前理解多少神经编码?”


“我们理解了不少。基于神经活动来转码人类的语言模式的绝佳例子已经有好一些了。它通过解读你的大脑活动,把你的想法说出口。有些是增强记忆的实例。有些是植入记忆的实例。我们理解神经编码的进程十分惊人。”


“神经组织状的电子设备能帮助愈合脑损伤吗?”


“能。由于它们与大脑的相似性,这些神经组织状的电子设备出现了一些脑机接口不曾考虑的有趣特性。人类大脑有两个区域是神经源(neurogenic),这两块区域能产生新的脑细胞。为了抵达其他脑区,新的脑细胞沿着其他神经元搭造的脚手架移动,沿途到达神经元的一部分特定区域轴突,而轴突伸展触及其他神经元。就这样,神经元彼此连接。就这样,我们在子宫里发育,脑细胞得以各就其位。它们的移动得益于其他神经元搭造的路线。


一个已经观察到的现象是,神经元也沿着电子网格移动。这相当有意思,因为这为我们对于疗法的思考开辟了一条全新的道路。若某人中风,大脑某个特定区域由于血液流动不足而缺乏氧气和营养,这块脑区会死亡。而如果你能通过电子网格的脚手架连接两块神经源脑区,打入新神经元的储存库,最终抵达由中风损伤的脑区,你就拥有了一个能重组脑细胞的新机制,有利于治疗。”


“你怎么看待脑深部电刺激?”


“脑深部电刺激提供电刺激以减轻不必要的症状,就像心脏起搏器作用于心脏那样。在譬如帕金森氏症的运动障碍里,这种方法成效显著。但到今天,这种方法尚受制于我们使用的技术,特别是接入大脑的电极。现存的大部分电极的特点是体积较大、质地较硬,而这金属外来物同大脑的组成有着根本的不匹配。它还以开环的方式工作,这意味着它不给予反馈。如果你正睡觉,它仍然按指定量级输送电流。它就是没有变化。而你的大脑是个高度闭合的回路。你伸手去够一杯水,这时候你肌肉里的本体觉纤维会回返信息,告诉你你的手正在哪。你的大脑则持续矫正你的动作,确保你的手能够到目标。因此,如果你足够了解神经编码,足够了解它呈现你打算治疗的脑部症状的方式,你就能想象,或许有更智能的方法来开关、加强刺激曲线,从而提升治疗效果。”


参考文献

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).


本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:BRIAN GALLAGHER,布莱恩·加拉格尔是《鹦鹉螺》(Naitilus)旗下博客 Facts So Romantic 的专栏编辑。原文地址:http://nautil.us/issue/77/underworldsnbsp/the-implant-that-can-control-your-brain


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