华尔街日报:脑植入设备的未来

2014-03-28 12:56:24来源: 华尔街日报
   
    你会拿什么去交换一个让你能在黑暗中看见东西的视网膜芯片?或让你在不管有多嘈杂的餐馆中都能听到任何对话的新一代人工耳蜗?或直接连入大脑海马体、让你分毫不差地回忆起读过的一切的存储芯片?抑或是一个植入式互联网接口,将你脑海中一次清晰的无声问题(如“法国太阳王”)转换成网络搜索,在融合维基百科里的相关知识后,将总结答案直接投射到你大脑中?

科幻小说吗?不久之后可能就不是了。今天大脑植入所处的阶段相当于几十年前的眼科激光手术。它们不是没有风险,而且也只对少数特定的病人有意义,但它们揭开了未来世界的一角。

和起搏器、人造牙冠或植入式胰岛素泵不同的是,用直接插入神经系统的电子设备恢复或补充大脑功能的神经义肢,将改变我们感知世界、在世界上活动的方式。不论好坏,这些设备都会成为我们人格的一部分。

神经义肢不是现在才有的事物。它们的商业化存在已经有30多年,具体而言就是在全世界30多万听觉障碍人士的耳朵(神经系统外围感知器官)内植入的人工耳蜗。去年,美国食品药品管理局(Food and Drug Administration)批准了第一款人工视网膜。该产品由Second Sight公司生产。

这两项技术采用了同样的原理:让一个外部设备——不管是麦克风还是摄像头——捕捉声音或图像进行处理,利用处理结果来推动一组电极,让它们刺激听觉或视觉神经,模拟耳朵或眼睛自然产生的效果。

另外一种已经很常见的植入设备被全世界成千上万的帕金森患者采用,它将电脉冲发送到大脑合适位置,激活控制运动的一些神经通道。一条细细的电极通过颅骨上的一个小开口插入大脑,并通过一条电线与皮肤下方的电池组相连。其效果是减轻甚至是消除震颤、运动僵硬等突出的帕金森氏症状(可惜该设备不会阻止疾病本身的发展)。有实验也在测试这类“深部脑刺激”治疗其他机能失调的有效性。

加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)神经外科医生伊扎克‧弗里德(Itzhak Fried)和同事在2012年发表于《新英格兰医学杂志》(New England Journal of Medicine)上的一篇文章中提出,电刺激还可以改善某些形式的记忆。利用一台类似于电子游戏机的装置,研究人员教七名病人用一个操纵杆在虚拟城市环境中穿行,搭载乘客,送他们去特定的商店。游戏期间,适当的脑部电刺激提高了病人完成任务的速度和准确度。

但并不是所有的大脑植入设备都是通过直接刺激大脑来发挥作用。有些是通过读取大脑的信号来发挥作用,比如将瘫痪用户的意图翻译出来。神经义肢系统最终或许能兼顾这两项功能:先读取用户的意图,执行网络搜索之类的动作,然后将结果直接传回大脑。


Getty Images

还有多久我们才能拥有这些奇妙的设备呢?首先,科学家、医生和工程师需要想出更安全、更可靠的办法来将电极植入人的大脑。目前来看,唯一的选择便是在颅骨上钻出小孔,将铅笔芯一样细长的电极插进去,让它们进入大脑深处的目的地。这有可能造成感染,因为电线是通过皮肤伸进去的;也有可能造成脑内出血,带来破坏性的、甚至是致命的后果。

NeuroSky公司读取脑电波的盔帽(向公众宣传的时候声称“适用于健康、教育和娱乐目的”)等外部设备不存在这些风险。但由于它们的传感器离单个神经元太远,有效性显著降低,就像是20世纪初美国无声电影里的那些警察想从巨大的橄榄球场外偷听一次对话一样。

今天,有效的脑机接口必须是直接接入大脑,采集小群神经细胞产生的信号。但还没有谁知道怎样生产出能够长时间采集同一群神经细胞信号的设备,其中有部分是力学问题:每当你走动的时候,大脑就会在颅骨内来回晃动,植入设备一毫米的移动,都会造成差之毫厘谬以千里后果。

另一部分是生物学问题:植入设备必须无毒并具有生物相容性,不至于引起免疫反应。它还必须足够小,能完全封闭在颅骨以内;能效要足够高,以便能在夜间通过放置在头皮上的感应线圈充电,就像现在一些电动牙刷用的充电站一样。

这些障碍或许令人望而却步,但很多障碍看起来都非常像手机制造商在20年前、手机有鞋盒子那么大的时候遇到的那些。神经植入设备需要的进步比这还要大,因为一旦将它们植入、将颅骨重新封上,升级起来就不容易了。

但很多聪明的神经工程师正力图克服这些问题,比如加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的迈克尔‧马哈比兹(Michel Maharbiz)、何塞‧卡尔梅纳(Jose Carmena)以及他们的同事。这些人正在开发一种他们称之为“神经微尘”的无线大脑接口。数千个0.1毫米(大约相当于人头发粗细)的生物中性微传感器将把电信号转化成可在大脑之外读取的超声波。

真正的问题恐怕还不在于这类东西能不能实现,而是在于怎样实现、何时实现。我们将需要在材料科学、电池化学、分子生物学、组织工程和神经科学领域取得多少进步?这些进步需要10年、20年、30年甚至更久才能实现吗?正如马哈比兹在一封电子邮件里所说,一旦植入设备“可在健康成年人身上‘稳定一辈子’,很多严重残疾……可能会慢慢地变得能够治疗”。对于几百万上千万的病人来说,神经植入设备可能具有绝对的革命性。

假设我们能够清除这些生物工程障碍,下一个挑战将是如何解读构成大脑的1,000亿个微小神经细胞发出的复杂信息。我们已经能够以有限的方式做到一些。


Barcroft Media/Getty Images
一名男孩戴着用于听觉障碍患者的人工耳蜗。另一部分通过手术方式植入皮肤以下。

根据以前几十年在灵长类动物身上做的研究,布朗大学(Brown University)的约翰‧多诺格(John Donoghue)和他的同事发明了一个名叫“脑门”(BrainGate)的系统。借助于这个系统,完全瘫痪的病人可以用他们的意念控制设备。“脑门”的运作原理是将一个覆盖着100根左右针一样的电线的小芯片——一把高科技刷子——植入新皮层中控制运动的部分。这些动作信号被输入一台外部计算机,并被计算机解码,一直传递到外部机器人设备上。

将近10年以前,这套系统被一个四肢瘫痪的病人用来控制一只义肢。最近在YouTube上一段展示这项技术各种应用可能的视频中,几年之前因为脑干中风而瘫痪的凯西‧哈钦森(Cathy Hutchinson)只靠她的大脑和一个“读心”(部分思维)的神经植入设备操纵机器人手臂,成功地从一个瓶子里喝到了咖啡。

目前来看,如此操纵机器人手臂显得笨拙而又费力,就像开着一条巨大的驳船或一辆跑偏的车一样。考虑到神经科学的现状,就算是我们最优秀的神经科学家,也只能像透过一片昏暗的玻璃一样研读大脑活动:掌握了要点,但远远谈不上理解了细节。

事实上我们目前并不知道人脑是怎样完成一些最基本任务的,比如把接网球的模糊愿意转化成严格编排的指令洪流,进而一气呵成地执行这个动作。没有哪个严肃的神经科学家可以声称拥有一台已经做好商业化准备、准确程度或反应速度赶得上电脑键盘一丁点的读心设备。

在理解神经密码方面,我们还有很长的路要走。所以美国总统巴拉克‧奥巴马(Barack Obama)去年公布的联邦资助项目“BRAIN Initiative”(全称:通过创新神经科技进行大脑研究之行动)才显得如此重要。我们需要用更好的工具来倾听大脑,用更精确的工具来将信息传回大脑,还需要更加详尽地理解各种各样的神经细胞,以及它们是怎样组合成复杂回路的。

成像粗糙的脑核磁共振图像近些年变得非常流行,但这还远远不够。首先这些影像是间接的;它们测量的不是电波活动、而是局部血液流动的变化,充其量也就是一个不完美的替身。功能性核磁共振成像的分辨率也不足以让我们真正掌握神经密码。脑部扫描过程中形成的每一个三维像素都包含50万到100万个神经细胞。我们真正需要的是能够抵近观察每一个神经细胞。

进一步放大观察至关重要,因为构成知觉、记忆和意识的“原子”不是脑部区域,而是神经细胞,甚至是更加精细的元素。化学家在认识到化学反应(几乎)全是电子在原子中间建立、打破化学键的时候,便把化学变成了一门定量科学。神经科学家想在研究大脑的过程中实现同样的目标。到达到这个目标前,脑部植入设备将只能按照整片森林的逻辑来运作,而缺乏对一棵棵树木的理解。

这方面最有希望的工具之一是最近开发出来的一项名叫光遗传学的技术。它挟持神经细胞内遗传物质的分子机关,从而直接操纵大脑的回路。这样一来,任何一组拥有独特遗传编码的神经细胞都可以用不同颜色光线的短暂脉冲以无可匹敌的精度打开或关闭,从而在事实上把大脑变成一架可以弹奏的钢琴。这种分子生物学与光学、电子学的奇幻联姻已经在被用于打造成年盲人使用的先进人工视网膜。它在整个神经科学领域掀起了革命。

假以时日,分子生物学、神经科学和材料科学的进步几乎肯定会带来更加微小、更加聪明、更加稳定、更有能效的植入设备。这些设备将能够直接解读大脑内部电波活动的风暴。目前来看,这些都是抽象概念,是人们在书报上读到但不太可能亲身体验的一种东西。但这种情况有朝一日将会改变。

想想乳房手术等医学技术的发展轨迹吧。虽然它最初是用于乳房切除术后的重建和先天缺陷的矫正,但隆胸和拉皮、整腹等其他美容手术已经成了家常便饭。这些手术可靠、有效、便宜,对于社会上很多人都有吸引力,而不只限于富人和名流。

神经植入设备终将不只是用于瘫痪、失明或失忆等严重疾病。它们将被病情不那么严重的人们采用。当技术的进步达到足够程度时,植入设备将从严格以修复为目的提升为增加健全人或“正常人”的表现。它们将被用于提高记忆力、注意力(相当于没有副作用的利他林)、感知力和改善情绪(拜拜,百忧解(Prozac))。

第一代电子植入设备将会被很多人抵制。会有失败,和医学上的许多进步一样,也会有死亡。但要认为这些产品卖不出就会略显幼稚。即便是现在,也有很多父母愿意让他们的孩子在重要考试之前服用阿德拉(Adderall)。对于很多人来说,成为“超级儿童”(至少是在大考期间保证连续数小时的镇静和专注)的诱惑是那么地难以抵挡。

即使父母们不为脑部植入设备投钱,军方也会。五角大楼尖端科技投资机构“Darpa”有一个正在开展的项目,已经在支持用于帮助战伤军人改善记忆的脑部植入设备的研发。谁会指责一位希望战士拥有超常专注力、完美地图记忆力、连续好几天不需要睡觉的将领?(当然,间谍可能也很想窃听这样一名战士的大脑,黑客也可能想入侵它。安全将会极端重要,加密也会必不可少。)

通过心理练习的自动化,初期一代的改善型植入设备或许有助于提高明星高尔夫球手的挥杆动作。之后一代或许会使周末打高尔夫的人能完全略过练习。一旦神经学家想出怎样对练习的最终结果做逆向工程,“神经编译器”或许就能够把相当于一年训练的结果直接装入大脑,一劳而永逸。

这样的事不会在下一个10年内发生,之后的10年可能也都不会发生。但在本世纪结束之前,我们的计算机键盘和触摸板将会显得像一个笑话,就连谷歌眼镜3.0也将显得原始。当你能够把信息写进大脑、可以直接解读的时候,为什么还要把信息投射到眼睛(还会遮挡你的一部分视野)上去?为什么要让计算机等着你说出或键入你想要表达的东西,而不是让它在你还没能够表达出来的时候就能想到到你的需要?

到本世纪末,可能还会更早,市面上曾经卖过的所有输入设备都将过时。忘记高挡汽车生产商即将推出的、让司机能够在视线不远离道路的情况下查看数据的“抬头显示器”吧。到本世纪末,很多人将从头到脚地直接与云端相连。

这些设备会不会让我们整个社会变得更加幸福、更加和平、更有效率?它们可能会造就一个怎样的世界?

无法预测。但是,可预测或合人心意都不是未来的本职。正如美国前总统罗纳德‧里根(Ronald Reagan)曾经说过的,“未来不属于胆小怕事的人,它属于勇敢的人”。

胆大的人,愿意让自己享受神经义肢好处、愿意承担与之相伴的风险,他们将在争夺就业和生活伴侣的日常竞争中、在科学领域、在运动场上、在真刀实枪的战场上占据上风。这些差别将以新的方式挑战社会,并开启超乎我们想象的各种可能性。

作者Gary Marcus是纽约大学(New York University)心理学教授,常为《纽约客》(New Yorker)撰写科学技术方面的博客。Christof Koch是西雅图艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)首席科学家。


关键字:华尔街日报  脑植入设备

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0328/article_31880.html
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