拉杰什·拉奧(華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、感知運(yùn)動(dòng)神經(jīng)工程中心主任)

安德烈·斯托科(華盛頓大學(xué)心理系和學(xué)習(xí)與腦科學(xué)研究所助理教授)

“沃森先生，請(qǐng)到這里來。”138年前，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾第一次用電話說出了這句話，一場通信革命從此掀起。如今，人們即使身居不同大陸，也能夠通過手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)毫無障礙地通話、通信及視頻交流。

但語言交流仍有局限。一些抽象概念和情感并不容易通過文字表達(dá)。一部分殘疾人無法和他人正常交流，盡管他們的思維能力和常人無異。

數(shù)十年來，神經(jīng)科學(xué)家一直在尋找解決上述問題的辦法。一種叫做腦機(jī)接口(brain-computer interface，簡稱BCI)的技術(shù)逐漸成熟，可以讓癱瘓病人用腦信號(hào)控制電腦光標(biāo)或假肢。BCI用一些數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從病人的腦信號(hào)中提取出移動(dòng)的意圖，并將該信息傳達(dá)給病人希望控制的裝置。

多年前，拉奧想到：或許，我們可以用同樣的原理實(shí)現(xiàn)人腦與人腦之間的通信。想象下，教師可以直接把數(shù)學(xué)證明傳入你的大腦，而不用口頭教授;醫(yī)學(xué)系的學(xué)生可以從導(dǎo)師的大腦中直接學(xué)會(huì)復(fù)雜的手術(shù)技能。這類想法一直是科幻作品中的重要題材，比如《星際迷航》中瓦肯人的心靈融合，以及《阿凡達(dá)》電影中的截癱者控制阿凡達(dá)等。

我和拉奧在多次對(duì)話中(我們均在華盛頓大學(xué)任教)認(rèn)識(shí)到，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的最基本的設(shè)備已經(jīng)有了，盡管能實(shí)現(xiàn)的功能十分初級(jí)。和其他科學(xué)家一起，我們正在尋找可以讓大腦直接交換思想的技術(shù)，使人類突破傳統(tǒng)交流手段的桎梏。

讓老鼠的尾巴抬起來

我們的想法是使用腦電圖技術(shù)(簡稱EEG)，即在人的頭皮上安置很多電極，記錄人的腦電波。記錄到的神經(jīng)活動(dòng)看似充滿噪聲，但實(shí)際上包含了人類思維的信號(hào)。我們希望可以提取出這樣的信號(hào)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給第二個(gè)人。也就是說，這個(gè)信號(hào)決定了我們要給接收信號(hào)的人的大腦施加怎樣的電刺激。因?yàn)樯窠?jīng)元通過電信號(hào)互相交流，我們可以施加電流或磁場(或是用其他技術(shù))，以特定方式影響大腦內(nèi)部的信息傳導(dǎo)過程。

簡單來說，我們根據(jù)一個(gè)人的大腦信號(hào)，讓另一個(gè)人的大腦產(chǎn)生特定的神經(jīng)活動(dòng)模式。

在用腦電波玩游戲的實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)人想象做一個(gè)動(dòng)作。EEG可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)。這會(huì)觸發(fā)電腦，向第二個(gè)人的運(yùn)動(dòng)皮層發(fā)送一個(gè)刺激，讓他抬起手按下按鈕。

當(dāng)我們開始測(cè)試這個(gè)想法時(shí)，已經(jīng)有另外兩個(gè)神經(jīng)科學(xué)研究組實(shí)現(xiàn)了大腦間的信號(hào)傳輸，不過他們的研究不是在人腦上做的。到目前為止，包括我們的研究在內(nèi)的所有實(shí)驗(yàn)均是對(duì)這個(gè)概念的簡單驗(yàn)證：一方扮演發(fā)送者，另一方扮演接收者。我們的最終目的是希望實(shí)現(xiàn)大腦間的雙向通信，但我們相信這兩個(gè)階段之間并沒有不可逾越的鴻溝。

杜克大學(xué)的米格爾·尼科萊利斯(Miguel Nicolelis)率先實(shí)現(xiàn)了大腦間的通信。2013年上半年，他發(fā)表了一項(xiàng)研究，成功地在身處不同大陸的兩只大鼠之間傳遞了一些簡單信號(hào)。不多久，另一項(xiàng)用人作為信號(hào)發(fā)送者的研究也成功了。這項(xiàng)研究中，6個(gè)受試者通過EEG裝置各自向一只麻醉的大鼠發(fā)送命令。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的柳承世(Seung-Schik Yoo)和同事還使用了一項(xiàng)新技術(shù)——向特定腦區(qū)發(fā)送穿透顱骨的高度聚焦的超聲波。

當(dāng)人類受試者決定移動(dòng)大鼠尾巴時(shí)，他的腦電波信號(hào)會(huì)觸發(fā)超聲波裝置，向大鼠大腦發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖。這個(gè)350kHz的脈沖對(duì)準(zhǔn)了大鼠的運(yùn)動(dòng)皮層，因此兩秒后，老鼠的尾巴會(huì)抬起來再放下。

另一個(gè)大腦

和柳承世的工作類似，我們的實(shí)驗(yàn)也是用EEG提取控制信號(hào)。拉奧實(shí)驗(yàn)室有著從EEG信號(hào)中提取控制意圖的豐富經(jīng)驗(yàn)，所以這一步很簡單。問題在于提取出神經(jīng)信號(hào)以后，我們?cè)撊绾伟阉?ldquo;輸入”另一個(gè)大腦。幸運(yùn)的是，本文的另一位作者斯托科和錢特爾·普拉特 (Chantel Prat)當(dāng)時(shí)正在研究經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation，簡稱TMS)。這是一項(xiàng)已被美國食品及藥品管理局批準(zhǔn)的技術(shù)，可以用于治療重度抑郁癥。這種技術(shù)是利用磁場脈沖，誘導(dǎo)大腦特定區(qū)域的神經(jīng)元放電。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究人員會(huì)在受試者頭部附近放置一個(gè)絕緣線圈來產(chǎn)生脈沖。線圈通電時(shí)，線圈附近的神經(jīng)元周圍會(huì)有磁場形成。線圈斷電后，磁場就會(huì)消失。磁場的突然變化將會(huì)使磁場內(nèi)的神經(jīng)元產(chǎn)生微弱的電流，促使神經(jīng)元放電。當(dāng)這個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元放電時(shí)，與之相連的一系列神經(jīng)元也會(huì)被激活。

當(dāng)線圈放置在合適位置時(shí)，特定的磁場變化會(huì)讓人做一些不自主的運(yùn)動(dòng)。雖然使用TMS的目的通常不是為了讓人做不自主的運(yùn)動(dòng)，但我們意識(shí)到，可以利用這一點(diǎn)讓受試者做一些簡單動(dòng)作。在我們的研究中，斯托科的左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層上方置有TMS線圈，這里的神經(jīng)元控制著他的右手動(dòng)作。經(jīng)過一系列參數(shù)調(diào)整，我們找到了刺激控制斯托科手腕的神經(jīng)元的合理設(shè)置，可以讓他的手抽動(dòng)。

我們決定用一個(gè)雙人電子游戲測(cè)試我們的腦腦接口(brain-to-brain interface)。實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們花了數(shù)月時(shí)間編寫程序、整合各種技術(shù)，終于在2013年8月12日，我們成功開展了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。拉奧扮演信息的發(fā)出者，斯托科則是接收者。

游戲中一艘海盜船正在向城市發(fā)射火箭。玩家需要發(fā)射火炮，攔截每發(fā)火箭。只有拉奧可以看到游戲畫面，但只有斯托科可以按下發(fā)射火炮的按鈕。所以拉奧需要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，形成“發(fā)射”這個(gè)想法，然后幾秒種后斯托科則會(huì)收到這個(gè)信息，并按下按鈕。

拉奧頭上戴了一個(gè)貼得很緊的帽子，上面嵌有32個(gè)電極，可以測(cè)量頭部不同位置的電活動(dòng)變化。在任意時(shí)刻，大腦中不同的神經(jīng)元群的電活動(dòng)可能都會(huì)以不同的頻率發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)拉奧想象著移動(dòng)自己的手時(shí)，EEG電極會(huì)記錄到一個(gè)可以被軟件檢測(cè)到的信號(hào)。該信號(hào)的特征是，電活動(dòng)的低頻波動(dòng)會(huì)有明顯下降。一旦檢測(cè)到這種特征的信號(hào)，我們就會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送一個(gè)指令，刺激斯托科的大腦。

斯托科自己并不會(huì)意識(shí)到這個(gè)刺激，盡管如此，他的右手還是會(huì)運(yùn)動(dòng)。刺激會(huì)導(dǎo)致他抬手，當(dāng)手落下時(shí)會(huì)敲擊鍵盤并在游戲中發(fā)射火炮。成功了!這是有史以來第一次有人直接把自己的意圖傳達(dá)到另一個(gè)人大腦中，讓兩個(gè)大腦協(xié)作完成任務(wù)。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，我們?cè)谟螒蛑械谋憩F(xiàn)越來越好，最后我們幾乎可以100%攔截海盜的火箭。拉奧學(xué)會(huì)了如何以同一種方式來想象移動(dòng)自己的手，使電腦可以從EEG數(shù)據(jù)中找到規(guī)律。斯托科同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，除非他感覺到或看到自己的手在動(dòng)，否則他并不知道自己的手腕在動(dòng)。

我們后來又在其他幾組人類受試者身上重復(fù)了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。雖然不是每次結(jié)果都很完美，但總體來講，只要發(fā)送者的意圖被EEG系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)到了，它就可以通過TMS直接傳入接收者大腦中。在這些實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)受試者都知道各自扮演的角色，并且愿意合作解決這個(gè)問題。每次海盜的火箭被擊中時(shí)，發(fā)送者就知道對(duì)方成功接收到了自己的意念，并按下了開火按鈕。我們認(rèn)為這種有意識(shí)的合作是腦腦通信的真正目標(biāo)，這一特點(diǎn)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)。

然而這個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)缺陷：接收者的角色是被動(dòng)的，他本質(zhì)上只是借了只手給發(fā)送者用而已。接下來我們將設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，對(duì)接收者的其他腦區(qū)發(fā)送信號(hào)，產(chǎn)生有意識(shí)的、主動(dòng)的想法。例如，我們可以向另一個(gè)大腦發(fā)送視覺信號(hào)，而不再是運(yùn)動(dòng)信號(hào)。接收者會(huì)突然看到——比如說一片綠色，然后明白應(yīng)該做相應(yīng)的行動(dòng)。一個(gè)研究組已經(jīng)用和我們相同的技術(shù)，在人腦間發(fā)送了簡單的視覺信息。

這些簡單的實(shí)驗(yàn)看上去離電影中傳輸復(fù)雜思維的“心靈融合”還差很遠(yuǎn)，但我們相信，弄清楚如何傳送感覺信息和運(yùn)動(dòng)信息是十分重要的。對(duì)于大腦如何傳輸感覺和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，我們已經(jīng)有很多認(rèn)識(shí)，而關(guān)于大腦如何產(chǎn)生復(fù)雜思想和想法，比如怎樣解微分方程、判斷哪座城市是拉脫維亞的首都等，我所知尚少。而且很多科學(xué)家都認(rèn)為感覺和運(yùn)動(dòng)信息是構(gòu)筑更復(fù)雜知識(shí)的基本要素。只有掌握了傳送簡單信號(hào)的技術(shù)，我們才能去嘗試傳送更復(fù)雜的概念。

腦腦通信

我們暢想了該技術(shù)在未來的幾種應(yīng)用。例如，正在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的病人可以從治療師那里直接接收加速恢復(fù)的方法。不能說話的殘疾人可以用這種技術(shù)直接把自己的想法和感受傳遞給他們愛的人。

當(dāng)然，用技術(shù)提高大腦能力并不是什么新鮮事。我們用汽車和飛機(jī)增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)能力，用書籍和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了記憶容量，用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)提升了分析和交流能力。腦腦通信技術(shù)增強(qiáng)的可能會(huì)是人類社會(huì)性的一面——和他人分享想法的天然需求。

假若科學(xué)家和工程師真的有一天實(shí)現(xiàn)了真正的腦腦通信，這種技術(shù)一定會(huì)在道德方面產(chǎn)生深刻的影響。技術(shù)是把雙刃劍，小到廚房的餐刀，大到基因工程均是如此。

腦腦通信也不例外。很多科幻作品中都有壞人將大腦植入技術(shù)濫用在邪惡目的上的情節(jié)?，F(xiàn)在的世界中各個(gè)裝置高度互聯(lián)，安全和隱私被人們高度重視，而在大腦可以互聯(lián)的未來，這兩個(gè)問題只會(huì)變得更加關(guān)鍵。神經(jīng)安全研究者需要開發(fā)出高度安全的通訊協(xié)議，把腦腦通信的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。政策制定者也需要通過相關(guān)的法律，最大限度減少技術(shù)的濫用。

我們必須捫心自問：腦腦通信帶來的好處能否抵過它的風(fēng)險(xiǎn)?這種技術(shù)會(huì)如何改變?nèi)祟愡M(jìn)化的軌跡?社會(huì)會(huì)因?yàn)樗兊酶脝?我們的實(shí)驗(yàn)提醒人們，或許現(xiàn)在就該開始討論這些問題了。