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心心相印的梦想,脑脑接口的真相:马斯克追求的“传心术”有可能实现吗?

身无彩凤双飞翼,心有灵犀一点通。

 

撰文 | 顾凡及(复旦大学生命科学学院)

 

2017年,知名科技博客“Wait But Why”的博主厄本(Tim Urban)曾受伊隆·马斯克(Elon Musk)的邀请,赴其创办的神经联结公司Neuralink做了一次长时间的访问,并与马斯克及其创始团队的大部分人员在会上或私下进行了深入讨论。访问结束后,厄本将他的总结发表在一篇博文中,文中引述了马斯克的话[1]

 

“我可以想象一束花,而且在脑海中有一幅非常清晰的画面。但是如果你要用话来描述的话,你就需要用很多语言文字,还只能描述一个大概的样子。
 

你脑袋里有很多想法,都得由脑压缩成说的话或者打的字这种传输速度极慢的数据。这就是语言。你的脑对思想和概念传输运行了一种压缩算法。此外,还得听,还得把听到的信息解压缩。这个过程中的数据丢失也很严重。所以,当你在解压缩而试图理解的时候,你同时也是在试图重建另一个人的思想状态以理解其来源,并在你自己的头脑中对对方头脑里试图传达给你的种种概念进行重组。……如果两人都有脑接口的话,你就可以与另一个人直接进行无压缩的概念沟通。”

 

这种概念沟通,马斯克称之为“某种无需语言的概念上的传心(non-linguistic consent consensual conceptual telepathy)”。[2]

 

马斯克的梦想并不新奇。像《死者代言人》《被毁灭的人》《阿凡达》一类的科幻小说、科幻电影早已描述过心灵直接相通的场景,在许多其他主题的科幻小说中,无需语言即可交流、大脑可以直接接收其他人甚至其他生物想法的描写,也往往与人类的进步、终极目标(比如穿越了虫洞、全人类意识都上传到网络交汇在一起)等联系在一起。马斯克创办Neuralink的初衷之一,也是为了让我们能用未经语言编码的“真实思想”直接沟通。

 

当然,马斯克并非提出“脑脑接口”的第一人。事实上,早在1994年,诺贝尔物理学奖得主盖尔曼(Murray Gell-Mann)在著作《夸克与美洲豹》(Quark and the Jaguar)中就写到过:“无论好坏,总有一天人可以直接与一台先进的计算机连接在一起(不是通过口语或像控制台这样的界面),并通过该计算机与一个或多个其他人类连接。思想和感情将完全共享,而不像语言那样可能会带有选择性或欺骗性……我没有把握是否要建议这样去做(尽管如果一切顺利的话,它可能会缓解一些我们人类所遇到的最棘手的问题)。但它肯定会创造出一种新形式的复杂的适应系统,是许多人的真正综合体。” [3]

 

《夸克与美洲豹》

 

真正把脑脑接口付诸实践的最初尝试者是杜克大学神经科学教授、脑机接口先驱、资深专家米格尔·尼科莱利斯(Miguel Nicolelis)。2011年,他在其名作《越界》(Beyond Boundaries: The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines and — How It Will Change Our Lives.)一书中就报道了他们让两头大鼠植入脑脑接口后共同完成某个预设的任务[4]。在2014年的巴西世界杯上,29岁的高位截瘫病人Juliano Pinto用大脑控制尼科莱利斯实验室制作的机械骨骼,成功开球。

2020年8月28日,Neuralink第二次举行发布会,马斯克介绍了最新进展和实物演示。在过去几年中,他们主要是在芯片微型化、手术机器人、无线传输等技术方面取得了显著的进步,在从原理到实用的转化方面前进了一大步。2019年的时候,他们成功记录了猪脑内的神经活动,并预测出了猪的动作。发布会赚足了全世界的眼球,取得了极大的公关胜利。但从思想原理上来说并无创新,而马斯克所鼓吹的通过人脑与人工智能融合使人成为超人,至少在可预见的未来只不过是一种迷思。

 

2021年4月8日,Neuralink又在网上发布了一段长达5分钟的视频(视频见下),展现了一只名叫佩吉(Pager)的9岁猕猴在电脑上打乒乓游戏的场景。视频中,佩吉不需要游戏手柄(操纵杆),只凭“意念”(其实只是脑信号罢了)就能移动乒乓球拍,玩得相当不错。这是Neuralink继2020年8月第二次发布会后在脑机接口方面又一次大的进展汇报,虽然2008年尼科莱利斯就已成功训练猴子通过“意念”控制远在日本的机器人同步行走。一时间,全网沸腾,许多人非常乐观地认为,Neuralink已经成功做到“意念操控”,离人与人的“传心”也不远了。

 

研究人员那训练佩吉使用“意念”操控乒乓球拍

 

然而,尼科莱利斯却旗帜鲜明地反对马斯克的理念。在2020年11月的腾讯科学家WE大会上,尼科莱利斯直言,马斯克关于脑机接口的意念控制、记忆上传甚至永生之类的话,只是一种营销策略,这种话对脑机接口领域的科学发展,毫无益处。“他说的话我一个字也不同意。”[5]

 

尼科莱利斯为何这样说?

 

要回答这个问题,我们需要看看目前为止人们在脑脑接口工作方面到底走到了哪一步。

 

首先看看尼科莱利斯实验室在2013年发表的一个“脑脑接口”的具体例子[6]

 

在实验中,受过行为学训练、懂得按照指示灯去压杠杆的小鼠被分在编码组(encoder)和解码组(decoder),关在两个设置相同的房间,彼此不能见到对方。两组小鼠都在大脑的运动皮层植入了微电极,电极缆线通过人工信号采集转换装置相连。当编码鼠按照指示正确地按下A杠杆,微电极精确采集到相应的神经元密集放电,经人工处理后转化为一串高频脉冲信号(A信号);正确按下B杠杆时,微电极采集到的神经元放电模式则被处理为单个脉冲(B信号)。同时,将不同模式的脉冲信号发送到解码鼠脑中的微电极,轻微刺激大脑皮层,称为皮层内微刺激(Intracortical microstimulation,ICMS)。当ICMS为一串高频脉冲(A信号),则按压A杠杆;当ICMS为一个单独脉冲(B信号),就按压B杠杆。

 

这样,就做到了编码鼠按哪根杠杆,解码鼠也按下哪根杠杆。研究者认为:“编码鼠和解码鼠通过脑脑接口使解码鼠完全依靠编码鼠的神经模式来重现编码鼠的行为选择。”[5]这样,就实现了“传心”。

 

那么,解码鼠是怎么读懂编码鼠的“神经模式”的呢?换言之,解码鼠怎么知道高频脉冲就意味着按A杠杆,单独脉冲就按B杠杆呢?莫非它真的与编码鼠心意相通吗?

 

答案是:研究人员告诉它的。

 

这项研究分为两个部分,在实验部分之前,还有重要的训练阶段。研究者采用条件反射的行为训练方法(回忆一下巴普洛夫的狗),让解码鼠学会将不同的ICMS与不同的杠杆联系起来。这样,在实验中,编码鼠的皮层放电模式被人工转化为不同的脉冲信号,解码鼠根据早已学会的规则,按下合适的杠杆。

 

换言之,解码鼠之所以能“重现编码鼠的行为选择”,是因为它在训练阶段学会了对ICMS作出相应反应。作者们没有说如果解码鼠未经训练的话,它还能不能这样做。笔者的猜测是不能。如果是这样,那么解码鼠其实并不知道编码鼠的选择,而是实验者把编码鼠的选择转换成了一种可以引起解码鼠相应动作的适宜刺激,所以这实际上只是一种反射而已。

 

//侵入性脑脑接口//

 

2020年,北京生命科学研究所/北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏实验室开发了一种光学脑脑接口,可以将有关运动速度的信息从一只小鼠传输到另一只小鼠,并精确、实时控制后者的运动速度[7]

 

在脑干中,有一个叫做未定核(nucleus incertus,NI)的核团,核团内有一类神经元可以表达神经调节肽B(neuromedin B,NMB)。罗敏敏组早就发现,这类神经元的活动可以精确预测和控制动物的运动速度。他们让两只小鼠(一只编码鼠,一只解码鼠)头部固定,但身体可在跑步机上自由跑动,记录编码鼠未定核内一群神经元的钙离子信号变化,并通过机器学习转换成不同频率的光脉冲刺激,施加到解码鼠的未定核内相同类型的神经元群体之上,可让两只小鼠的运动速度高度同步。

 

罗敏敏组的这一工作当然比尼科莱利斯等人的早期工作前进了一大步,所控制的解码鼠的活动不再是“两者择一”这样的简单任务,而是一个连续可变的量——运动速度。

 

但他们也并不是用编码鼠的原始脑信号直接控制解码鼠的活动,而是要人为地将原始脑信号转换成光刺激脉冲序列,再用光脉冲去刺激解码鼠。这算不算是“传心”呢?

 

把微电极直接插入脑中,虽然可以取得较高的分辨率和信噪比,但健康受试者很难接受。不久前,美国动物保护组织PCRM(Physicians Committee for Responsible Medicine)向美国农业部投诉了Neuralink与加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)于 2017 年至 2020 年间开展的合作研究,PCRM就认为将芯片植入猕猴的头骨中是残忍的行为[8]

 

因此,不少实验室也在研究非侵入性的脑脑接口。

 

//非侵入性脑脑接口//

 

美国华盛顿大学(University of Washington)的拉奥(Rajesh P. N. Rao)[9]实验室是国际上研究非侵入性脑脑接口的中心之一。自2013年发表了第一篇人脑脑接口的文章之后,他们又进行了一系列相关工作。本文只介绍其中有代表性的两个。

 

实验1[10]

 

实验任务:两名受试者共同完成一项游戏:在“发送者”的屏幕上飞过一枚导弹或一架客机,要求“发送者”通过脑脑接口操纵“接受者”的手,扣动按钮击落导弹。两位受试者由脑电(EEG)经颅磁刺激(TMS)组成的脑脑接口设备相互连接。

 

任务训练:采集发送者的脑电(EEG)信号,训练其看到屏幕上飞过导弹时,通过想象手腕运动来移动一维光标;对接受者,则事先找出是哪一块大脑皮层负责控制腕关节外展肌(伸腕的肌肉),在这块皮层上方安置经颅磁刺激线圈,使TMS发出的磁脉冲能引起手向上运动,扣动按钮。

 

实验时,两位受试者分处两座不同建筑,相距一英里,不可能听见或看见对方。发送者想象自己运动手腕而诱发脑电信号,经检测后无线传输至接受者的TMS设备,控制线圈发送相应的磁脉冲,令受试者手腕运动,扣动按钮。这样就使两位受试者仅仅通过脑脑接口就合作完成游戏。

 

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,简称TMS)是一种非侵入性的、无痛、无损的脑刺激。TMS技术采用脉冲磁场作用于大脑皮层,改变皮层神经细胞的膜电位,使之产生感应电流,影响脑内代谢和神经电活动,从而引发生理、生化反应(例如引起某个简单的动作)。

 

 

实验2[11]

 

在这一实验中,有三名受试者——两位发送者和一位接受者——分别坐在不同的房间中,共同完成一个俄罗斯方块游戏,游戏规则如下图所示:

 

发送者和接受者需要配合:发送者决定下落积木是否需要旋转,并将自己的决策通过脑脑接口“告诉”给接受者,由接受者操作放置积木,消除底行方块。

 

在发送者的屏幕两侧,一边显示“是”字,表示需要旋转积木,下有一根发光二极管每秒闪烁17次;另一边显示“否”字,表示不需要旋转,下有一根发光二极管每秒闪烁15次。不同的闪烁频率能够诱发出不同频率的脑电成分

 

当发送者做出判断、注视某个字时,控制装置根据其头部采集到的脑电频率,决定接受者脑后的TMS线圈是否发放磁脉冲。磁脉冲刺激接受者后脑的枕叶皮层(负责视觉信息处理),能让接受者看到闪光,按照事先的约定,这就意味着发送者的意思是“旋转积木”。

 

脑脑接口(即图中的控制装置)流程示意图。控制装置将发送者的脑电信号转化为脉冲信号,刺激接受者。丨上方照片来自Mark Stone/University of Washington[12]

 

整个游戏需要三人交流、协同完成。接受者在收到了两位发送者的指令(视觉信号)后才决定是否旋转积木。接受者的脑电信号也会被采集,以类似的方式传达给发送者,让发送者知道接受者的决定,并再次反馈。如此来回交流,最终,游戏的结果会同时告知三人。

 

//跨物种的混合脑脑接口//

 

在用人脑控制动物的实验中,研究者一般采用混合式的脑脑接口,对人用非侵入性的方式采集脑信号,而对动物则植入微电极,控制动物的运动。相对而言,侵入性接口的效果更加精细准确。

 

浙江大学张韶岷等人[13]曾开发一种从人脑到大鼠脑的脑脑接口,实验参与者想象自己挥动左臂或右臂,相关的脑电信号被转换成左转或右转的控制信号,无线发送至安装在大鼠运动皮层的微电极,放电刺激鼠脑。

 

控制者可以在屏幕上看到迷宫中的大鼠。研究人员使用了一种复杂的立体迷宫(下图),大鼠需要上坡、下梯、避开障碍物绕行、穿越过道等。在实验中,控制者可以通过想象让大鼠在规定时间内按预定路线在复杂迷宫中顺利巡行一圈。

 

图3 浙江大学张韶岷等人使用的复杂迷宫示意图。[13]

 

从以上代表性的研究,可以看出,到目前为止的脑脑接口研究绝大多数都还很难讲就是真正意义上的“传心”。这也许可以解释为什么脑机接口资深专家尼科莱利斯认为马斯克的“传心”是一种“营销策略”。

 

确实,如果光从行为的表面现象来看,这些实验都能显示接受者能够仅仅按照发送者脑海中想象的命令——而不是按照语言指令——做出实验者希望的行动。如果我们把发送者的脑信号混同于“想法”或“意念”,而把接受者的行动理解为其接受了发送者的“想法”或“意念”,那么我们就会断言这就是“传心”。但是脑信号并不等同于“想法”或“意念”,利贝特(Benjamin Libet)的经典实验早就告诉我们,在我们意识到自己想要转动手腕之前,在脑中已经可以记录到与此相关的“准备电位”。所以准备电位(脑信号)先于我们自己知觉到的“意念”。我们可以用脑电设备检测出准备电位,当然也可以把这个电位处理之后去刺激另一个人的脑做出某种动作。在笔者看来,这不能算是传心。因为从接受者方面来看,实验者事先已经知道以什么方式的刺激,刺激接受者脑的哪一部分就会引起接受者的哪种实验者希望看到的动作,这其实只是一种反射而已。

 

利贝特的实验

上世纪80年代初,美国神经心理学家利贝特做了个实验,让受试者自行决定何时动一下手腕,记录他们的肌电和脑电。

 人们早就知道,肌肉运动时,可以在相应部位记录到肌电,作为运动开始的时刻;另外,肌肉运动是受大脑的初级运动皮层控制的,而在此之前,又有一些脑区早就做出了运动计划,并下达到初级运动皮层,再由初级运动皮层发出命令,控制肌肉运动。与早先的“运动计划”有关的活动可以在脑电图中记录到,是一种称为“准备电位”的脑电成分。准备电位出现在实际运动开始的1秒钟之前或更久之前。 一般人会以为,我们先产生“我要运动”的意念(决定),负责计划运动的皮层再做出计划,通过初级运动皮层发出命令,控制手腕肌肉运动(测到肌电)。 利贝特要求受试者在转动手腕的同时,盯着屏幕上沿一个钟面不断旋转的光点(附图)。他要受试者在事后报告自己是在光点转到什么位置的时候才下定决心转动手腕的。结果,利贝特发现,受试者在下决定之前,准备电位就先出现了,提前了半秒多。这一结果说明,准备电位先于自己意识到要运动手腕(意念),脑电信号不等同于意念本身。事实上,现在关于意念的神经基质是什么还很不清楚,也不知道它究竟发生在哪个脑区。 

附图 利贝特实验的示意图。(引自Blackmore, 2005)

 

在本文所介绍的迄今为止的脑脑接口的实验,都可以分成两个部分,一部分是在发送者在想的时候,测量与其相关的某个脑信号(仅仅是相关,而非因果!我们并不知道这种“想”的神经基质是什么)。另一部分则是考察以什么样模式的刺激、给予接受者脑的哪个部分时才能使接受者作出研究人员希望的动作,这其实只是一种“刺激-反射”,而非“理解”。最后,就是通过机器学习,把记录到的发送者的脑信号转换成实验者所要求的刺激模式。如此一来,将前两个部分联成一体,就给人以“传心”的印象了。当动作是二选一的时候(本文中除了罗敏敏实验室的光学脑脑接口实验之外的所有实验),就更明显如此。

 

值得指出的是,所有实验的后半部分都是控制接受者的运动,这是因为实验者清楚驱动这种运动的脑区在哪里,同时运动控制的神经编码是群体编码,无需寻找哪个特殊的神经元,这样实验者才有可能预先就知道应该以何种方式刺激脑的哪个部分。这些工作的基础都建立在脑研究已经比较清楚的运动控制的群体编码原理之上。如果要求接受者完成的不是一项运动任务,而是一种心智活动,那么就根本不可能实现,因为现在我们根本就不知道这种活动的神经机制是什么,要给于什么样的刺激才能引起相应的心智活动。这就是华盛顿大学神经科学家格雷格·霍维茨(Greg Horwitz)所说的:“如果你想让我移动我的手臂,我知道把电极放到哪里”,“即使你能够在我脑中的任何地方插入电极,如果你想让我投拜登或特朗普的票,我不知道你应该刺激哪里才能实现,或者以什么模式去刺激才行。”[14]

 

从尼科莱利斯正式提出脑脑接口开始,十多年时间已经过去,尽管已经在各方面都有所进展,但是上面所讲的问题并无突破。这也不是单靠改进脑植入物的技术就能够解决的,马斯克提出8到10年内实现传心也已经过去了5年,这恐怕是一个不能实现的诺言。

 

当然科学不应该排除大胆的设想,这类设想鼓舞科学家冲击未知,也许在将来的某一天真能实现,但是也不应该把畅想混同于现实。我们可以看看有关脑脑接口还有哪些其他畅想——

 

尼科莱利斯等人曾提出:“最后,必须强调的是,脑脑接口的拓扑结构不必局限于只有一个发送者和一个接受者。相反,我们指出过,从理论上讲,如果采用许多相互连接的脑组成的网格代替只有两个脑,就可能提高信道的准确性。这种计算结构可能开‘有机计算机’(organic computer)之先河,它能够解决一般图灵机不能计算的启发式问题。”[15]

 

如果把许多脑互联起来彼此直接交流,就可能构成一个“巨脑”,就像神经元互联成功能比其强大得多的脑一样。现在还难想象这样的巨脑会产生出什么样的新现象。

 

拉奥等人则提出:“我们脑中的大量信息并不能由内省而进入意识,因此不能随意地以语言形式表达出来”[8]。这正是外科手术专家和音乐大师难于把自己的知识和专长传授给新手的困难所在。他们无法告诉学生如何准确地“在执行关键操作时如何定位和移动手指”[8]。他们希望脑脑接口有可能消除语言交流中的此类固有问题。

 

当然,也有人已开始担忧起脑脑接口的负面影响。他们提出[16]:脑脑接口会不会使发送者对接受者产生某种强制作用,从而使后者丧失某种自主感?提取发送者脑记录中的信息,是否侵犯了其隐私权?人没说的话中常常有比说出来的话更重要的内容,人脑中的隐私是个体自主的核心。发展脑脑接口可能是得不偿失……当然,从目前脑脑接口的发展情况看,在可预见的未来根本还做不到一些专家的畅想,所以这些担忧也还为时过早,不过警钟长鸣对如何健康地开展这方面的研究也许不无意义。

 

参考文献

[1] Tim Urban (2017) Neuralink and the Brain’s Magical Future. Wait But Why 2017年4月20日(https://waitbutwhy.com/2017/04/neuralink.html)

[2] https://www.wired.com/story/elon-musk-neuralink-brain-implant-v2-demo/?bxid=5cec254afc942d3ada0b6b70&cndid=48167859&esrc=&source=EDT_WIR_NEWSLETTER_0_SCIENCE_ZZ&utm_brand=wired&utm_campaign=aud-dev&utm_mailing=WIR_Daily_082820_Science&utm_medium=email&utm_source=nl&utm_term=list1_p2

[3] Murray Gell-Mann (1994) Quark and the Jaguar. W. H. Freeman and Company.

中译本:盖尔曼著,杨建邺等译(2002)《夸克与美洲豹》,湖南科技出版社

[4] Miguel Nicolelis(2011)Beyond Boundaries: The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines---and How It Will Change Our Lives. Times Books。

[5] https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/11/358719.shtm

[6] Miguel Pais-Vieira, et al. (2013) A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Nature SCIENTIFIC REPORTS, 3 : 1319 | DOI: 10.1038/srep01319

[7] Lu, L., Wang, R., and Luo, M. (2020). An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control. Sci China Life Sci 63(6):875-885, https://doi.org/10.1007/s11427-020-1675-x

[8] https://www.theguardian.com/world/2022/feb/15/elon-musk-neuralink-animal-cruelty-allegations

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Rajesh_P._N._Rao

[10] Rao, Rajesh et al. “A Direct Brain-to-Brain Interface in Humans.” PLOS ONE 2014: 1-12.

[11] Linxing Jiang, Andrea Stocco, Darby M. Losey, Justin A. Abernethy, Chantel S. Prat, Rajesh P. N. Rao.(2019) BrainNet: A Multi-Person Brain-to-Brain Interface for Direct Collaboration between Brains. Scientific Reports, 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-41895-7

[12] Anthony Cuthbertson (2019) First brain-to-brain interface to communicate using only your mind successfully tested, researchers claim. (https://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/news/computer-brain-interface-university-washington-neuralink-a8984201.html)

[13] Shaomin Zhang et al. (2019) Human Mind Control of Rat Cyborg’s ontinuous Locomotion with Wireless Brain-to-Brain Interface. Scientific Reports, 9:1321 ( https://doi.org/10.1038/s41598-018-36885-0)

[14] Adam Rogers (2020) Neuralink Is Impressive Tech, Wrapped in Musk Hype. Wired 04/09/2020 (https://www.wired.com/story/neuralink-is-impressive-tech-wrapped-in-musk-hype/?bxid=5cec254afc942d3ada0b6b70&cndid=48167859&esrc=desktopInterstitial&source=EDT_WIR_NEWSLETTER_0_DAILY_ZZ&utm_brand=wired&utm_campaign=aud-dev&utm_content=Final&utm_mailing=WIR_Daily_090620&utm_medium=email&utm_source=nl&utm_term=list2_p5)

[15] Pais-Vieira, Miguel; Mikhail Lebedev; Carolina Kunicki; Jing Wang; Miguel A. L. Nicolelis (2013). A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Scientific Reports. Nature Publishing Group. 3: 1319. doi:10.1038/srep01319 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3584574).

[16] Martone, Robert. (2020) Scientists Demonstrate Direct Brain-to-Brain Communication in Humans. Scientific American Mind. 31 (1):7-10

 



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