昨天（8月1日），在南方科技大學(xué)和騰訊共同主辦的首屆“青年科學(xué)家502論壇”上，由騰訊贊助的“科學(xué)探索獎”歷屆100位獲獎人，基于對當(dāng)今科學(xué)熱點問題的思考和對科學(xué)發(fā)展趨勢的判斷，提出了“十大科學(xué)技術(shù)問題”。其中一個廣受公眾關(guān)注的問題是“人腦和機(jī)器是否能實現(xiàn)直接通訊？”

對此問題的直接回答是：“可以，而且此技術(shù)已有多年的研究歷史。”目前的主要動機(jī)是想要幫助運(yùn)動和感知功能受損的殘障人士，但技術(shù)發(fā)展和商業(yè)動力不會止步于此。未來會怎樣？我們請美國喬治城大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系教授吳建永對此做個幻想未來。除卻目前的繁瑣技術(shù)，可能的走向是什么？他認(rèn)為，腦機(jī)接口技術(shù)的未來發(fā)展可能完全脫出俗套，需要解決的科學(xué)問題遠(yuǎn)多于技術(shù)問題。

撰文 | 吳建永（美國喬治城大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系教授）

我先對題目里的“直接通訊“咬文嚼字一下，所謂的“直接”是什么意思。按理講我們都明白，人腦和機(jī)器直接通訊就是往腦子里插電線唄。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人機(jī)通訊可以不用“插電線”，而用超聲，用光，用磁場或微波來進(jìn)行。另外“電線”的定義也會隨著技術(shù)進(jìn)步越來越模糊。比如，用無線傳輸代替穿過頭皮和頭骨的電線。又比如，利用與神經(jīng)細(xì)胞大小類似的無線芯片實現(xiàn)通訊，這樣電線雖然還是有的，卻只在“最后一微米”存在，變成鍍在硅片上的薄層金屬膜，一邊是個神經(jīng)細(xì)胞，另一邊是個COMS晶體管。甚至用神經(jīng)細(xì)胞膜直接當(dāng)做場效應(yīng)管的柵極。

所以，我把“直接通訊”理解為“繞過天然的五官或肌肉，讓神經(jīng)細(xì)胞與電子線路進(jìn)行直接的信息交換”。

為什么要繞過感官和肌肉呢？目前的主要用途是幫助感官損壞或不能活動的殘障人士獲得比較高的生活質(zhì)量。我們都看到過能讓截癱病人打字、吃油條、喝可樂的新聞。

由于腦機(jī)接口帶來的道德考慮，目前腦機(jī)接口的受眾主要是殘疾人。然而隨著技術(shù)不斷完善，應(yīng)用會逐漸變寬，“幫助殘障人士”的界限也變得模糊了。比如阿爾茲海默癥失憶患者將來有可能利用腦機(jī)接口來增強(qiáng)記憶，恢復(fù)生活自理的能力。那么記憶差的人是否也能用腦機(jī)接口增強(qiáng)記憶？繼續(xù)發(fā)展下去就變成幫正常人增強(qiáng)記憶和思想活動的工具，比如所謂"腦讀”設(shè)備，利用腦機(jī)接口驅(qū)動的搜索引擎，數(shù)據(jù)庫等等。設(shè)想一下不用考大學(xué)，甚至根本不用上大學(xué)就能考滿分的感覺多么“好”（這種魔幻的生活什么樣？有興趣的讀者可閱讀我?guī)啄昵皩懙摹堆b上腦機(jī)接口是個啥體會？| 小爐匠沙龍》）。

回憶一下第一次工業(yè)革命的機(jī)器幫助了人類的肌肉，把鐵鍬變成挖掘機(jī)就掀起了社會巨變，就不難設(shè)想人腦與機(jī)器間實現(xiàn)高速通訊會造成怎樣天翻地覆的社會變革。到時候，大腦高度互聯(lián)的超級文明會不會終結(jié)目前建立在個體松散連接基礎(chǔ)上的人類文明？

這里不討論人類文明結(jié)束以后的事，只談?wù)勏朐谶@個巨變之前，我們作為目前社會中松散連接的渺小個體，怎樣改進(jìn)腦機(jī)接口技術(shù)，逐漸讓腦機(jī)接口變得更安全可靠、更強(qiáng)大。

腦機(jī)接口的基本原理我們知道神經(jīng)細(xì)胞利用電信號來相互通訊。神經(jīng)細(xì)胞的電信號是短促的放電（圖1A），聽起來像收音機(jī)里劈劈啪啪的靜電噪聲。如果在神經(jīng)細(xì)胞旁邊放一個電極，就可以接收到神經(jīng)的放電（圖1B）。同樣，這個電極也可以把外界的電流送過來，這個神經(jīng)細(xì)胞受電流影響就會放電（圖1C）。這樣，電極與神經(jīng)細(xì)胞之間就實現(xiàn)了雙向的收發(fā)通訊。這個雙向通訊從大腦的角度看，神經(jīng)細(xì)胞接受外部電流引起放電就叫產(chǎn)生“感覺（sensory）”，而神經(jīng)細(xì)胞放的電通過電極送出去就導(dǎo)致了“運(yùn)動（motor）”。

圖1 腦機(jī)接口基本原理 A 左為大腦皮層中的神經(jīng)細(xì)胞，中為神經(jīng)放電的電信號，放電信號很短促，只有大約千分之一秒。右為同一個細(xì)胞的一串放電。神經(jīng)信息是編碼在其放電的個數(shù)、頻率（單位時間內(nèi)放電數(shù)目）以及不同神經(jīng)細(xì)胞之間的協(xié)同等幾種形式上的。B 當(dāng)一個電極靠近神經(jīng)細(xì)胞時，神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的放電信號（黑色豎線）就能被電極接收。電極的構(gòu)造是一個導(dǎo)電的尖端（紅色）和后面的電線構(gòu)成。電線周圍包裹著絕緣層（藍(lán)色）以防止漏電。C 當(dāng)給電極通上電流時，神經(jīng)細(xì)胞會受電流的影響而放電。圖中紅線代表通電流的時間和強(qiáng)度，黑線代表神經(jīng)細(xì)胞的放電。

腦機(jī)接口的電極一般包含一個導(dǎo)電的尖端和一根外裹絕緣層的長電線。尖端用來接收和發(fā)送電信號，而后邊外裹絕緣層的電線則用于遠(yuǎn)距離傳輸時防止漏電。從細(xì)胞的尺度上看，幾厘米的距離已經(jīng)是千山萬水了。所以，實現(xiàn)腦與機(jī)器直接通訊在原理上是十分簡單的，只需要用電極靠近神經(jīng)細(xì)胞就行了。但從技術(shù)上看，又不那么簡單：電極尖端與神經(jīng)細(xì)胞需要靠得很近，距離稍遠(yuǎn)信號就可能被噪聲淹沒。而尖端太近了可能會破壞了那個神經(jīng)細(xì)胞，使這條通路失效。所以尖端的尺度、電極插入的方法、電極材料能與腦組織相容性、電極桿是否足夠細(xì)、能否隨腦組織飄動而不引起損傷等等，都是困擾現(xiàn)今腦機(jī)接口應(yīng)用的技術(shù)性問題。

一個電極的腦機(jī)接口那么用一個電極的腦機(jī)接口有多大效果呢？其實效果還是很可觀的。1960年代，耶魯大學(xué)腦機(jī)接口的先驅(qū)荷塞·德爾加多（J.M. Delgado）就成功展示了用1-2根電極的腦機(jī)接口可以讓一頭憤怒的公牛掉頭逃走（圖2）。其原理非常簡單，就是把一根電極植入腦子里負(fù)責(zé)產(chǎn)生恐懼感的結(jié)構(gòu)（杏仁核）。當(dāng)公牛向他沖過來的時候，他通過遙控器向那個電極傳入電流，讓杏仁核里的神經(jīng)細(xì)胞興奮起來。這時牛就會產(chǎn)生一種無比巨大的恐懼感，掉頭跑掉。但是實際用的時候發(fā)現(xiàn)牛沖得太快，讓人來不及躲。于是他又在牛腦內(nèi)控制的結(jié)構(gòu)（尾核）里加了一個電極。這個電極一通電就能攪亂牛跑步的動作, 感覺像踩上香蕉皮，牛就會急剎車，立刻慢下來。從那個時代至今，已經(jīng)有很多刺激腦皮層以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究，也產(chǎn)生了驚人的效果，如超過一切真實體驗的欣快感或恐懼感，能讓沖鋒的公牛突然僵住或讓僵住的巴金森病人瞬間恢復(fù)自由活動能力等（就是醫(yī)院里常說的“腦起搏器”）。

圖2 德爾加多和他用腦機(jī)接口戰(zhàn)勝暴怒公牛的實驗

但德爾加多的實驗還不算真正意義上的腦機(jī)接口，因為它的電極影響了周圍一大堆神經(jīng)細(xì)胞，只是對正常神經(jīng)過程進(jìn)行干擾。

1980年代，科學(xué)家做了一個更精細(xì)的實驗說明操控少數(shù)神經(jīng)細(xì)胞就能對決斷產(chǎn)生影響。這個實驗是讓猴子看一個屏幕，上面有許多亂飛的點點，類似于圍著桌子飛的一群蒼蠅。這時讓猴子做個游戲，判斷是從右向左飛的點點多還是從左向右飛的點點多。如果猴子認(rèn)為向右飛的多，就按右邊的電鈕，認(rèn)為向左飛的多就按左邊的電鈕。猜對了有獎！剛開始的時候先玩80:20，即100個點子里有80個向一個方向飛，另外20個向反方向飛。猴子很快就學(xué)會了。然后研究人員就提高難度，75:25，70:30， 65:35 …… 越來越難。然而猴子都是打電玩的高手，玩了幾天，技能就提高到50:49。即滿屏飛行的點點里哪怕有1% 的不對稱 ，猴子也能猜對。然后研究人員就開始耍賴，讓給猴子看沒差別的屏，即50：50。這種情況下猴子無論如何努力，都只能蒙對一半。這時研究人員用一個單電極腦機(jī)接口影響大腦皮層視覺區(qū)中少數(shù)幾個神經(jīng)細(xì)胞的放電，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣微小的影響居然能改變猴子的猜左或猜右的決斷。對這個實驗?zāi)梢阅X補(bǔ)一下，您在做決定去看電影還是去喝咖啡時，腦子里會有萬億神經(jīng)細(xì)胞在七嘴八舌地吵。這時是不是可以用影響其中很少數(shù)幾個神經(jīng)細(xì)胞的活動來讓您改主意？

多個電極的信息優(yōu)勢只用一個電極的腦機(jī)接口有兩個很大的缺點：一是通訊的信息量非常少，只能在小范圍內(nèi)變化。第二是可靠性太差，如果這個神經(jīng)細(xì)胞“走神了”即不去參加您想控制的腦活動，或者躺平死了，那么控制就失效了。所以，目前的腦機(jī)接口都需要很多電極。舉兩個有新聞效應(yīng)的例子，一個是用一百多個電極實現(xiàn)對手指的虛擬感覺（圖3），另一個是用一百多個電極實現(xiàn)截癱病人快速打字等等。

圖3 用多個電極產(chǎn)生虛擬感覺 A 把假手的每個手指分成八個區(qū)域（1-8），把每個區(qū)域的壓力傳感器信號轉(zhuǎn)化成電流通進(jìn)一個電極。這樣假手上不同位置的不同壓力就能轉(zhuǎn)化成對不同神經(jīng)細(xì)胞的不同發(fā)放頻率，以產(chǎn)生虛擬感覺。B 電極植入腦皮層的位置示意圖，虛線代表腦皮層上的主要地標(biāo)“中央溝”，中央溝后面就是身體感覺的手區(qū)。C 病人腦皮層上實際的感覺區(qū)與電極的相對位置。淺黃色為手掌感覺區(qū)，橘黃為小指區(qū)，淡紫色為食指區(qū)，紅色為拇指區(qū)。灰色方塊為電極陣的位置。從圖中可以看出，植入電極的范圍雖然遠(yuǎn)比手感覺區(qū)小，而且手指手掌的位置也和感覺區(qū)對不上。但是通過手眼結(jié)合的訓(xùn)練，病人逐漸能學(xué)會，產(chǎn)生逼真的虛擬感覺。（圖源：Flesher et al., Sci. Transl. Med. 8, 361ra141 (2016) ）

用多個電極獲得的信息量不是簡單的加和，而是一加一大于二，能在好幾個方面獲得單電極測不到的信息。

首先，單電極只能看到眼前一個神經(jīng)細(xì)胞放電速率的改變，卻不知道這是否只有這個細(xì)胞在“發(fā)神經(jīng)”， 還是周圍很多神經(jīng)細(xì)胞都在活動。而用多個電極則很容易分辨這兩種情況。這個有多少個神經(jīng)細(xì)胞一起活動的信息很重要，因為一般大腦想做點什么事都需要大量神經(jīng)細(xì)胞的參與，因此看到很多神經(jīng)細(xì)胞都在放電就意味著有一個正在進(jìn)行的神經(jīng)過程。

其次，多電極可以看到不同神經(jīng)細(xì)胞之間活動的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)有正有負(fù)。正相關(guān)指神經(jīng)細(xì)胞A和B的活動同時增加或同時減少；而負(fù)相關(guān)則是A增加對應(yīng)于B減少，A減少對應(yīng)B增加。細(xì)胞間的活動關(guān)聯(lián)信息對于解讀腦子想干什么很重要。比如在上面提的用100個電極實現(xiàn)快速打字的例子里，神經(jīng)細(xì)胞A， B，C的活動可能在病人想畫順時針圓圈的時候出現(xiàn)正相關(guān)，而D，E，F(xiàn)活動出現(xiàn)負(fù)相關(guān)；而當(dāng)想畫右折角的時候，則出現(xiàn)B，D， F正相關(guān)，A，C，E負(fù)相關(guān)。這樣把多個電極測到的放電送給AI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去分類，再跟病人的具體意愿進(jìn)行對比，就能更準(zhǔn)確地猜出病人想寫什么字母串。

第三，用多個電極可以獲得不同神經(jīng)細(xì)胞放電信號之間的時間關(guān)系。神經(jīng)放電信號很短促，只有1 毫秒（千分之一秒）的時間。如果A放電后B也緊跟著放電，就可以說二者間活動是同步的。同步是比相關(guān)更強(qiáng)的聯(lián)系，提示二者間可能有物理聯(lián)系或共同接收另一個神經(jīng)細(xì)胞的信號。一個神經(jīng)過程經(jīng)常是幾百萬到幾億神經(jīng)細(xì)胞協(xié)同活動，其中包含高度復(fù)雜的相關(guān)、同步和因果關(guān)系?？梢韵胂?，腦機(jī)接口的電極數(shù)量越多，就越能透徹地分析出大腦想干什么。

如果把大腦比作一個世界，每個神經(jīng)細(xì)胞比作一個人，那么顯然同時與很多人通訊才能更準(zhǔn)確地把握世界的動態(tài)。

多少根電極才夠用？目前鋼鐵俠馬斯克的“縫紉機(jī)”已經(jīng)能在動物腦子里插3千多個電極了。腦機(jī)接口的進(jìn)化也符合指數(shù)定律（圖4），而將來的新技術(shù)有可能會出現(xiàn)很快的增長。

圖4 腦機(jī)接口的電極增長速度 圖中藍(lán)色為半導(dǎo)體芯片上晶體管增長數(shù)目，紅線為腦機(jī)接口記錄到的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量。從歷史上看，晶體管數(shù)目約每2年增加一倍（摩爾定律），腦機(jī)接口記錄神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量大約是每7年增加一倍。丨圖源：Hong and Lieber, Nature Reviews Neuroscience (2019)
https://doi.org/10.1038/s41583-019-0140-6

那么究竟需要多少電極才夠用呢？我們可以根據(jù)教科書知識來粗略估計：

首先看觸覺：人的一個手指尖的精細(xì)感覺需要大約3000個壓力感受器，有這樣的分辨率才能讓您摸出沒洗臉的粗糙或使用高級化妝品后的細(xì)膩。如此，兩手十指加上手掌，幾萬個電極不算多吧？

然后看視覺：眼睛是心靈的窗戶，大腦接收的外界信息有90% 來自眼睛；與大腦相連的視神經(jīng)占大腦與整個身體相連神經(jīng)總數(shù)的40%；50%的大腦用于視覺信息的處理。視神經(jīng)內(nèi)大約有120萬根神經(jīng)纖維（每根纖維由一個神經(jīng)細(xì)胞長出來，用于把自己的活動信息送進(jìn)大腦）。如此看來，要想通過腦機(jī)接口看電視，總得有百萬數(shù)量級的電極吧？

最后看思想：我們知道腦殼里有左腦和右腦，各自有自己的思想和脾氣，相當(dāng)于兩個“人”住在一個腦子里。那為啥您感覺不到這兩個人打架呢？因為左右腦之間有很好的溝通。這種隨時隨地，非常良好的溝通需要有兩億根神經(jīng)纖維。所以您雖然有時會感到自己科學(xué)范兒和藝術(shù)范兒的矛盾， 或者用直覺做出違反邏輯判斷的決定，但基本上思想還是和諧的，沒有左右腦互相想離婚的感覺?？梢栽O(shè)想，若要讓大腦和機(jī)器無縫對接，和諧相處，需要億數(shù)量級的電極。有這樣多的電極就能實現(xiàn)人腦-機(jī)器融合在一起的現(xiàn)象，腦子和機(jī)器不再會鬧變扭，也不再會有人想把腦機(jī)接口關(guān)了，因為關(guān)機(jī)以后會感覺腦子突然空了，突然變成傻子一樣。

大腦皮層中有約二百億個神經(jīng)細(xì)胞，他們之間廣泛聯(lián)系，但主要的“互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”都是在附近幾毫米內(nèi)完成的，而遠(yuǎn)程聯(lián)系（如左腦右腦之間）只有很少量的一部分。所以最終腦機(jī)接口能達(dá)一億根電極，即腦細(xì)胞數(shù)量的百分之一左右，是符合神經(jīng)系統(tǒng)中短程和長程連接比例的。

回到本文的題目，人腦和機(jī)器直接通訊應(yīng)該是沒問題的，而真正的技術(shù)挑戰(zhàn)是怎樣能讓通訊的容量超過自然速度，即超過大腦通過天然的感官和肌肉與世界的通訊速度。由于神經(jīng)細(xì)胞本身速度的限制，增加電極的數(shù)目是增加通訊速度的唯一辦法。按視神經(jīng)里百萬根神經(jīng)纖維的編碼容量，我們可以估計出大腦天然的通訊速度大約與一個視頻通道相當(dāng)。而大通訊容量腦機(jī)接口的關(guān)鍵就是“最后一微米”工程。即怎樣讓大量的電極與大數(shù)量大神經(jīng)神經(jīng)形成可靠的連接。

從一萬個到一百萬個電極達(dá)到一萬電極大概不難，也許馬斯克的縫紉機(jī)幾年內(nèi)就能做到。但是繼續(xù)增加幾個數(shù)量級的電極就不再能用目前的軟電極技術(shù)了，因為要插入腦皮層的電線實在太多了。

連接一百萬個電極的腦機(jī)接口有可能采用不用插入的平面電極陣。這個電子技術(shù)目前已經(jīng)有了，類似于手機(jī)上相機(jī)上用的CMOS芯片。手機(jī)相機(jī)輕易能達(dá)到幾百萬個像素，其中每個像素就是一個測量光強(qiáng)的感受器。如把光感受器改成電感受器（電極），就可以變成有幾百萬電極的腦機(jī)接口。我們看看手機(jī)的相機(jī)，可以發(fā)現(xiàn)幾百萬光感受器的信息并不需要幾百萬根電線通出來，而是把信號在相機(jī)硅片上已經(jīng)整理好了，從一根電線上循序?qū)С?。類似地，人們可以把神?jīng)細(xì)胞放電的信息在芯片上進(jìn)行預(yù)處理，然后再用一根線把神經(jīng)細(xì)胞放電的信息順序?qū)С?。這個技術(shù)也叫“CMOS電極陣”，目前已經(jīng)用于研究工作。

那么百萬電極的技術(shù)瓶頸在哪里呢？瓶頸就是怎樣讓神經(jīng)細(xì)胞和電極形成一對一對的聯(lián)系。我們知道電極必需靠近神經(jīng)細(xì)胞才能接收或發(fā)送信號。在一個有百萬電極的兩維芯片上，怎樣讓百萬神經(jīng)細(xì)胞每個都湊近一個電極接點，形成穩(wěn)定的信號通路呢？這情況看著有點像在一個萬人體育館里，記者席上密集排列一萬個麥克風(fēng)。這時讓觀眾席上的每一個人對著其中一個麥克風(fēng)說話，達(dá)到既能聽見又互不干擾的目的，看著像個不可能完成的任務(wù)。

但是這個問題也許可以通過對神經(jīng)細(xì)胞的操控來解決。我們知道神經(jīng)細(xì)胞上有很多枝叉，用來傳遞和處理信息。這些枝叉不是像樹枝一樣是固定的，而是像章魚觸手一樣可以動來動去。在生物實驗中培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞的時候，很容易觀察到單個神經(jīng)細(xì)胞可以自己長出長長的觸手 (neurites)，和周圍其他的神經(jīng)細(xì)胞聯(lián)系起來（圖5）。由此可知神經(jīng)細(xì)胞有向外生長，尋求刺激的原始動力。神經(jīng)細(xì)胞枝叉的生長速度和方向受幾種神經(jīng)生長因子的調(diào)控。

圖5 人工培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞之間形成的連接 圖中白色亮圈所圍繞的圓形物體是神經(jīng)細(xì)胞，暗色的條狀物是神經(jīng)細(xì)胞長出的枝叉，神經(jīng)細(xì)胞靠這些枝叉互相交聯(lián)傳遞信息。神經(jīng)細(xì)胞在開始培養(yǎng)時，像一個個小球，互相獨立，之后幾天內(nèi)就長出枝丫并與周圍的其他細(xì)胞接觸。

既然神經(jīng)細(xì)胞有持續(xù)生長的動力，如果電極點上釋放吸引神經(jīng)生長的化合物，并且在電極表面提供與神經(jīng)細(xì)胞膜粘結(jié)的小分子，那么就有可能吸引神經(jīng)突長過來，在芯片上形成大量穩(wěn)定的電極-細(xì)胞界面。

這個思路叫“神經(jīng)生長電極”（neurotrophic electrode)，由腦機(jī)接口的前輩菲爾·肯尼迪（Philip Kennedy）發(fā)明。在他的原型器件里，電極尖端是放在一個玻璃管里了，管內(nèi)含有神經(jīng)生長因子（圖6）。菲爾是個傳奇性的人物，十幾年前因為FDA的手續(xù)問題和NIH研究經(jīng)費(fèi)的問題，他失去了在美國進(jìn)行人體試驗的能力。可是他不甘自己的發(fā)明和自己一起在沒經(jīng)費(fèi)的狀況下逐漸老去，于是自費(fèi)飛到規(guī)矩不嚴(yán)的巴西，讓醫(yī)生在他自己的腦子里植入了這種電極。不幸的是，他在自己身上的實驗也失敗了。

圖6 菲爾·肯尼迪和他的神經(jīng)生長電極 A 肯尼迪的神經(jīng)生長電極，箭頭所指的綠色錐形管是個吸引神經(jīng)生長的玻璃管。B 玻璃管的放大照片，里面有兩根記錄電極。C 菲爾在他的實驗室里，背后的儀器可以看出是1950-60年代的水平。D 神經(jīng)生長電極的原理圖，采自他2008年的文章。上面是實際記錄到的神經(jīng)發(fā)放，信號質(zhì)量非常好，下面示意當(dāng)電極埋入大腦皮層后，遠(yuǎn)處的神經(jīng)細(xì)胞受生長因子的吸引長入玻璃管。

在科學(xué)研究上，失敗是日常，成功則是奇葩。也許過幾年哪個億萬富翁會撿起這個概念，把生長因子和CMOS 電極陣組合起來，創(chuàng)造一個風(fēng)頭超過馬斯克1000倍的腦機(jī)接口。注意，目前的腦機(jī)接口電極與神經(jīng)生長電極的理念是非常不一樣的，腦機(jī)接口是把電極暴力插入，憑運(yùn)氣靠近神經(jīng)細(xì)胞。而神經(jīng)生長電極則是用生長因子吸引遠(yuǎn)處的神經(jīng)細(xì)胞長過來，這種方法技高一籌的原因是，電極可以長的離神經(jīng)細(xì)胞非常近而避免插電極時對這個神經(jīng)細(xì)胞造成損傷。而常規(guī)插電極的腦機(jī)接口總會造成電極附近的神經(jīng)細(xì)胞損傷，畢竟插到很近又不損傷細(xì)胞是個小概率事件。此外，由于神經(jīng)生長電極是自己長到電極上的，因此結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定也能隨著電極運(yùn)動。實際測量證明，這種技術(shù)可以穩(wěn)定記錄十幾年時間，這是目前其他電極難以達(dá)到的。

怎樣達(dá)到一億個電極億級數(shù)量的電極應(yīng)該遍及各個腦結(jié)構(gòu)，而不是集中在一個腦區(qū)。另外那么多電極已經(jīng)不可能再有電線，應(yīng)該用無線網(wǎng)把神經(jīng)信號傳給外面的接收器。目前的IPv4互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)能同時連接四十億個器件，所以電子工程并不是瓶頸。而瓶頸是微小的電池和把大批微小的腦機(jī)接口布置到腦皮層里。把電子線路做得像神經(jīng)細(xì)胞一樣小并不難，但是要給這億萬個摻雜在神經(jīng)細(xì)胞間的“小手機(jī)”充電可就太難了。目前的一種辦法是用超聲波供給能量，但為了提供足夠的能量卻需要一塊很大的晶體來接收聲波，如此就不能把無線裝置做得像神經(jīng)細(xì)胞這么小。

另一種辦法是血糖電池，就是利用葡萄糖氧化的能量提供電力。目前血糖電池理念還比較傳統(tǒng)，即利用氧化還原電極和催化劑，或利用降解葡萄糖的酶來提供電子。這類裝置的缺點是有自己的使用壽命，而且還使用不能生物降解的材料。能不能有一種永遠(yuǎn)不會磨損的血糖電池呢？

我個人的想法是利用身體本身的細(xì)胞來發(fā)電。我們都知道的電魚產(chǎn)生的高壓電能輕易電倒一頭牛。細(xì)胞發(fā)電原理已經(jīng)研究得很清楚，首先是細(xì)胞內(nèi)部有一套完善的代謝系統(tǒng)，逐步承接糖氧化產(chǎn)生的高能電子，并儲存在高能分子ATP中，然后再用ATP帶動細(xì)胞膜上的離子泵積聚化學(xué)能（像水壩蓄水），再利用離子通道把化學(xué)能變成電能。身體里大部分細(xì)胞都有離子泵和離子通道，所以都是小電池，而腦組織里的小膠質(zhì)細(xì)胞不但能發(fā)電，而且能不斷再生的，是取之不盡用之不竭的電池。我們需要的只是在芯片上建一些停泊細(xì)胞的“采電樁”讓小膠質(zhì)細(xì)胞緊密停靠。采電樁的周圍需要一些蛋白分子防止漏電，即利用組織之間緊密結(jié)合的蛋白結(jié)構(gòu)（tight junction），而采電樁本身則需要用另一種導(dǎo)電的蛋白結(jié)構(gòu)（縫隙連接，gap junction）與膠質(zhì)細(xì)胞的膜融合。這兩種蛋白結(jié)構(gòu)都是現(xiàn)成的，被億萬年的生物進(jìn)化優(yōu)化過，也是電魚產(chǎn)生高壓電使用的常規(guī)零件。我們現(xiàn)在需要的是搞清這些蛋白分子的結(jié)構(gòu)，知道他們連接的具體位點，這樣就可以用芯片上的小化學(xué)分子模擬連接的結(jié)構(gòu)，把細(xì)胞固定在采電樁上。

當(dāng)能源問題解決以后，像細(xì)菌那樣小的電子線路就可以用來把神經(jīng)信號變成無線電信號。測量神經(jīng)電信號的電極可以由自組裝的微米器件構(gòu)成（圖7A 紅色小球）。因此這種小裝置會有個與神經(jīng)細(xì)胞類似的長長外形（圖7A）。

另外一個科學(xué)難題是怎樣把一億個小裝置布置到腦子里？一個仿生的辦法是讓改造后的巨嗜細(xì)胞把電路吞吃進(jìn)去（圖7C），然后讓巨嗜細(xì)胞從毛細(xì)血管里通過血腦屏障，游走進(jìn)腦組織再把電路釋放出來。

圖7 微型無線腦機(jī)接口 A 構(gòu)造示意圖。1，電極觸手由自組裝微米顆粒構(gòu)成；2，無線接口芯片；3 充電樁；4 停泊在充電樁上的小膠質(zhì)細(xì)胞。B 小膠質(zhì)細(xì)胞的照片（綠色）和周圍的神經(jīng)突起（紅色）。C 血液中的巨嗜細(xì)胞，可以經(jīng)過改造后攜帶微型腦機(jī)接口，并通過血液送進(jìn)腦組織。D 布置在大腦皮層深部的微型無線腦機(jī)接口（想象圖），左面圖中深色斑點是腦皮層中的神經(jīng)細(xì)胞。

電極太多是不是內(nèi)卷？應(yīng)該提一下，業(yè)內(nèi)有些人并不認(rèn)可電極越多越好這種說法，就連上面提到的大神菲爾·肯尼迪也認(rèn)為可靠連接比數(shù)量多更有意義。他們的論點是這樣的：大腦活動的時候雖然有大量神經(jīng)細(xì)胞參與，但大家是協(xié)同干同一件事，互相不擰巴。假定用一百個電極去測量，就能基本上明白大腦想干什么，精確率達(dá)到90%。那么把電極數(shù)量提高十倍，也許精確率會提高到99%，電極數(shù)量再提高一萬倍呢？精度達(dá)到99.99%。照這么算，有必要為了不到1%的改進(jìn)而增加99%的費(fèi)用嗎？是不是有點煤老板受騙的感覺？

但是另一派認(rèn)為目前的腦機(jī)接口只能干些非常簡單的事，要干比較復(fù)雜的事，就一定需要與大腦皮層大量神經(jīng)細(xì)胞廣泛互動。比如上面說的用腦機(jī)接口看電視就需要很高的通訊速度。另外如用腦機(jī)接口代替小腦的功能，就需要用大數(shù)量大電極讀取全身許多肌肉的張力，并配合人運(yùn)動的意向來發(fā)出大量運(yùn)動指令控制不同的肌肉。

結(jié)語腦機(jī)接口技術(shù)在未來的發(fā)展可能完全脫出俗套，需要解決的科學(xué)問題遠(yuǎn)多于技術(shù)問題?？茖W(xué)上的問題比如怎樣讓電極吸引神經(jīng)突觸，怎樣制造細(xì)胞電池的采電樁，怎樣讓芯片從血液里進(jìn)入腦組織等目前還處在幻想階段。但幻想經(jīng)常是新技術(shù)的動力，腦機(jī)接口本身也是來源于科幻小說。

從哲學(xué)層面上講，有人認(rèn)為腦機(jī)接口早晚會終結(jié)人類文明，其后果甚至遠(yuǎn)比核大戰(zhàn)更壞，因為核大戰(zhàn)之后至少還能留下可以進(jìn)化的原始人，而腦機(jī)接口則會讓人類變成螻蟻一般的低級生物。但另一種說法是，人工智能也許不用腦機(jī)接口就可以輕易戰(zhàn)勝人類， 讓人類不如螻蟻。而腦機(jī)接口的發(fā)展相當(dāng)于給人工智能的文明摻入人類文明的成分， 或讓人類在網(wǎng)絡(luò)的云里得到永生。

然而，我們都知道“我思故我在”這句名言，意思是說人的“思想”“意識”和“生存”這些概念都是和“我”這個概念緊密相連的。腦機(jī)接口讓“我”融入云端，這樣“我的意識”也就變成了云端的一些運(yùn)算過程。如此，我將非我，那“我”還存在嗎？

內(nèi)容來自：返樸（ID：fanpu19222）

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