脑机穿越——引言 美妙的大脑交响乐

从宇宙大爆炸到人脑的形成 当第一声小提琴声穿过大厅的大理石墙壁，忽隐忽现地从二楼婉转而下，来到空无一人的医学院大楼门前时，我不禁被这荒谬的情形搞得有些惶然。毕竟，没有一位医学院的学生会想到，自己会在半夜、在最繁忙的急诊室的短暂休息时间里，聆听协奏曲。然而，我最初的局促很快被音乐的美妙所取代。它呼吸着全新的生命，充满了希望与冒险，氤氲在热带潮湿的夏夜里。也许这就是为什么25 年前吸引我的琴声，时至今日仍令我记忆犹新，仍会让我惊叹那曲调的优美。一个个没有意义的音符汇聚成了最热切的请求，召唤我追随这迷人的音乐。我三步并两步地跑上楼梯，悄悄地穿过狭长的走廊，站到了礼堂的入口。那里正在演奏伟大作曲家瓦格纳（Wagner）的歌剧《帕西法尔》（Parsifal） 的序曲“晚祷”。它美得令人无法抗拒，我随着音乐进入了礼堂。 我失望地发现，礼堂里灯火通明，枝形吊灯全都亮着，只有一位上了年纪、衣着讲究的绅士在忙着修理出了故障的投影仪。显然，这些年来这台投影仪放了太多的幻灯片，已经不堪重负了。除此之外什么都没有。礼堂建于20 世纪20 年代末，圣保罗大学医学院的礼堂都堪称节俭的典范。在礼堂的前面，是一个像盒子一样规整的舞台，这就是教授传道授业的空间。一张沉重的木头桌子、一把牢固的椅子以及一面相当陈旧、可以滑动的黑板便构成了教师的“一亩三分地”。学生的座椅被笔直地排成一排一排的，这使得一些学生可以占据最后一排，其中也包括我。坐在最后一排是为了在没完没了的上课期间避开教授充满权威感的凝视。 而此刻，我打开讲礼堂门的声音惊扰了这位梳着平头、穿着质朴的实验室工作服的老人。他转向我，轻松地微笑了一下，然后招了招手，好像我们已经认识多年，另一只手还在忙着修理投影仪。令人沮丧的是，我在讲台上看到了证明这位先生与那晚的独奏会有关的证据。那里有一个唱机的转盘、两个看起来挺昂贵的扬声器，还有一些柏林爱乐乐团的唱片封面。 “进来吧，欢迎！我们有红酒和奶酪。今晚投影仪有点问题，不过我们很快就会开始。顺便说一下，我是塞萨尔• 艾瑞尔教授（César Timo-Iaria），教这门课。” 在他话音未落时，投影仪发出了金属的“砰”的一声鸣响，一束光照在了礼堂的屏幕上。还没等我答话，他便迅速地改变了位置，站到了投影仪的后面，看起来很像站在船桥上、久经战争考验的海军上将。在将吊灯调暗，等着第二张唱片开始播放时，他饶有兴致地拨弄着幻灯片——我只有童年时在旧社区的狭窄街道上踢足球时看到并体验过这种乐趣。我独自坐在黑暗中，歌剧《唐怀瑟》中的歌唱在整个礼堂里回响，屏幕上掠过与医学课毫不相关的图像。我感到激动并被深深吸引，以前听任何讲座都没有这样的感受。 “您教的是什么课？”我问。 “生理学概论。”艾瑞尔教授答道，他没有看我。 为了确认自己没听错，我又看了看屏幕。就像所有的医学院学生一样，我在几年前就学过必修的生理学概论。在我看来，我看到的图像与以前学过的内容完全不匹配。 “怎么会？”我继续问。 “什么怎么会，孩子？”他反问道，依然没有看我。 “这怎么会是‘生理学概论’？我的意思是，您的幻灯片，它们只是在展示……” “是吗？”看起来，我的不适让他感到好笑，似乎以前这种情况发生过很多次。“继续说，告诉我是什么让你这么吃惊。” 音乐、这些图像以及半夜里在又大又空的礼堂里讲课的老人……一切都显得那么不合常理。我有些困惑：“您展示了一些星星、银河的图像。看，现在屏幕上是一个电波望远镜。这怎么可能是生理学概论课？” “嗯，这只是起点。一切都起源于那里，在大约150 亿年中，从宇宙大爆炸发展到人脑的形成。这真是一段漫长的旅程，不是吗？我会来解释我的意思。” 我看着艾瑞尔教授一张张地展示幻灯片，这似乎是无尽的视觉巡游：闪烁的螺旋形银河、处于萌芽阶段的星团、顽皮的星云、具有反叛性的彗星以及爆炸的超新星。它们描绘着人类心智从无到有的史诗。音乐伴随着这些图像流淌，它似乎是宇宙众神创作的。行星形成了，大部分土地光秃秃的，没有生命的迹象。然而，几十亿年前，至少一个有趣的实验导致了生物化学及遗传机制的出现，使生命得以维持与繁衍。之后，生命开始变得繁盛，努力求生，永远充满了希望与志向，并通过许多完全不可预知的路径开始进化。 接下来，我看到了第一对原始人类伴侣肩并肩行走的图像。那是数百万年以前的一个夜晚，在非洲中部，也就是今天埃塞俄比亚的阿法尔沙漠。正当瓦格纳歌剧中的唐怀瑟拒绝长生不老，只想体验凡人的生活，最终从维纳斯那里获得自由时，我看到人类的祖先，第一次仰望无边无际的天空，充满了敬畏与恐惧。他们的大脑中电波涌动，搜寻着我们今天还在苦苦思索的问题的答案。我意识到，这些胆怯而好奇地看着天空的原始人类，开始了漫长而宏伟的接力赛。从那以后，世世代代的人类都在寻找有关存在、意识以及周围一切的意义的本质解释。这是记录科学诞生的历史的最好方法。显然，这位站在船桥上、经验丰富的海军上将非常了解如何驾驶他的轮船。 《唐怀瑟》中朝圣者的合唱渐渐消失，宣告那是最后一张幻灯片。我们俩都陷入了肃穆的沉默中。幻灯片显示的是人类大脑的侧面图。几分钟后，艾瑞尔教授打开灯，从讲台上走下来，静静地朝礼堂的大门走去。在离开之前，他转过身，好像要说再见，但他说的是：“这是生理学概论的第一课，但我忘了告诉你，我还教授神经生理学的高级课程。明天晚上是第一堂课，我强烈建议 你也来听听。” 我还没有从刚才的震撼中回过神来，只问了一句：“我需要做什么才能选修这门课？”艾瑞尔教授笑了笑，在走出礼堂时，他给我——他终身的学生，提出一个如此毫不费力的选课建议：“只要跟随着音乐就可以了。” 神经元投票与“人性”的产生 在过去的25 年里，我一直牢记艾瑞尔教授不可动摇的信念，音乐和科学方法代表了人类思维无尽辛劳与痛苦的最令人震惊的副产品。这也许可以解释我为什么会选择将聆听一种非常不同的音乐，即脑细胞创作的“交响乐”作为我毕生的事业。 从技术角度来说，我是一名系统神经生理学家。至少这是同事们对我和我的学生们工作方式的定义。我们在北卡罗来纳州达勒姆（Durham）的杜克大学神经工程研究中心的实验室中工作。用通俗的话来说，系统神经生理学家就是研究各种神经回路背后的生理原理的人。这些神经回路由大脑中数千亿神经细胞构成的神经纤维组成。在复杂程度与连接的广泛性方面，大脑网络使得人类发明的任何输电网络、计算网络或机械格栅都相形见绌。它使每个单一的脑细胞，即神经元，能够与其他几百或者几千个神经元建立直接的联系。由于神经元具有独特的形态，因此它们可以通过细胞触点，即突触，专门接收和传递微小的电化学信息。神经元使用突触与其他神经元进行交流。正是通过这些广泛连接、具有高度活力的细胞网络，大脑才能完成它的主要任务：作出大量专门化的行为。这些行为共同定义了我们常常引以为傲的“人性”。 从人类开始出现直到今天，这些微小的神经网络便通过控制大量毫伏级的神经放电，为我们每个人以及每位祖先的每一次思考、创造、破坏、发现、掩饰、交流、征服、引诱、屈服、爱、恨、快乐、悲伤、团结、内省、欢欣提供了条件。如果其他人类事业没有占用“奇迹”一词，那么在神经科学家报告大脑回路所创造的奇迹时，我认为全社会应该授予他们使用这个词的专有权。 对于像我一样的大多数系统神经生理学家来说，我们的终极追求是破解产生丰富人类行为的神经生物放电的生理机制。然而，在追求这个神圣终极目标的过程中，过去200 年间的神经科学将太多的努力投入到了哪个脑区负责哪种功能或行为的激烈争论之中。其中一个极端是激进的局部论者，他们是“颅相学之父”弗朗兹• 加尔（Franz Gall）的继承人（不过他们通常不承认这一点）。他们坚定地认为，大脑的不同功能是由高度专门化、相互区隔的神经系统产生的。而另一端是人数较少、但发展迅速的一群人，我称之为分布论者。他们认为，人类大脑依赖的不是独特的专门化，而是诉诸于分布在各个脑区的多任务神经元群体，从而实现每个目标。为了证明这种观点，分布论者提出，大脑的生理机制类似于选举，分布在不同脑区的大量神经元参与了投票，虽然投票的数量很小而且不等，但最终产生了人类的行为。 在过去200 年中，局部论者和分布论者都将大脑皮层作为他们无休止的争论的主战场。大脑皮层是大脑最外层的组成部分，位于头盖骨的下面。这场论战可以追溯到颅相学家宣称他们能够通过触摸头皮，感受颅骨的凹凸起伏来判断人的主要人格特征的时代。他们认为，颅骨的凸起反映了某个皮层区域不成比例的增大，由此会产生诸如喜爱、骄傲、自负、虚荣或野心等特质。根据这种观点，每个人的情感和行为都是由特定的皮层区域产生的。 尽管加尔和他的伪科学在今天已经失去了权威性，但它的理论框架依然存在，并摇身一变，成了21 世纪神经学领域的主要教条之一。大约100 年前，以西班牙神经学家圣地亚哥• 拉蒙- 卡哈尔为代表的第一代全职脑研究者做了一系列了不起的实验。他们发现，与其他所有的器官一样，大脑的基本解剖单元也是单一的细胞，即神经元。因此，单一的神经元几乎可以被默认为也是中枢神经系统的基本功能单元。随着单一神经元理论的出现，加之1861 年法国医生皮埃尔• 保罗• 布洛卡发现，左侧前额叶的局部损伤会导致病人丧失语言功能，并造成右侧躯体瘫痪，都使得分布论者的阵营暂时陷入了混乱。就在分布论者变得孤立无援时，英国生理学家查尔斯• 谢林顿爵士（Sir Charles Sherrington）拯救了他们。谢林顿认为，即使是最简单的大脑功能，比如产生脊髓反射弧，都依赖于许多神经元以及不同神经回路的密切合作。 在过去的10 年中，尽管分布论者没有发起具有决定意义的进攻，但在有关大脑的论战中，他们已然占据了高地。世界各地神经学实验室的研究发现正在推翻局部论者的模型。在过去20 年里，我在杜克大学的实验室进行的研究明确地显示出，单一神经元无法再被看成是大脑的基本功能单元。相反，负责创作大脑思维“交响乐”的是相互连接的神经元集群。如今我们能够录下这些神经元乐团创作的音乐，甚至可以以具体、自发的动作行为来重现其中的一个小片段。通过聆听大脑中数十亿个神经元的一个极其微小的样本——几百个神经元，我们已经开始能够复制产生从复杂思维到即时的身体动作的神经反应过程了。 指导这些神经“交响乐”创作与指挥的原则是什么？经过对神经回路20多年的潜心研究，我发现，自己在大脑之外、在制约着我们始于星团的生物进化的边界之外，以及在中枢神经系统的深处，寻找着这些原则，并试图识别、表达大脑自身的观点。在此我的观点是，就像让我们如此着迷的宇宙一样，人类的大脑是一位相对论的雕塑家、一位技艺高超的塑造师，它将神经的空间与时间融合成了有机的连续体。由此创造了我们看到和感受到的现实，其中包括我们的存在感。在后面的章节中，我将探讨在未来几十年里通过将这种大脑的相对论与不断发展的技术能力相结合，聆听并解读更宏大、更复杂的神经“交响乐”，神经科学将推动人类最终超越脆弱的灵长类躯体及自我的束缚。 脑机接口，超越身体与大脑的边界 在想象这样的世界时，我比较有信心，因为我的实验已经教会猴子使用具有革命性的神经生物范式，即我们所说的脑机接口（brain-machine interfaces,BMI）。利用这种脑机接口，我们发现，猴子能够学会自主地控制外部人造设备，比如机器人的手臂和腿的运动，无论这些设备离它们很近还是很远。从长远来看，这释放了身体与大脑的无数潜能，它将彻底改变我们的生活方式。 为了检验不同版本的脑机接口，我们利用了新的实验方法，直接、即时读取某个神经回路的数百个神经元产生的电信号。起初，这种技术是用来检验分布论者观点的一种方法，即大脑产生的任何功能都需要跨越不同脑区、相互连接的全体神经元的参与。当我们发现如何聆听一些运动神经元的“交响乐”后，便决定再向前推进一步：记录、破解并传输灵长类动物大脑皮层产生的运动想法。我们将这些想法转化成数字命令，让机器产生类似人的动作，而这是过去的人们想都不敢想的。就在这时，脑机接口的研究无意中发现了将大脑从身体的局限中解放出来，使它能够利用虚拟工具、电子工具以及机械工具来控制物质世界，而做到这一切的确需要动动脑子。本书讲述了这些实验故事，并告诉 我们它们如何改变了我们对大脑功能的理解。 大多数人主要在医学领域中感受到脑机接口技术研究的全面影响力。建立先进的脑机接口，了解大脑复杂的运作，将会为患有神经障碍的患者开发出不可思议的新疗法。通过各种神经义肢，病患将重新获得运动、感觉和情感能力。这种设备能够收集健康大脑的电波活动，调整像丝绸一样薄、可以穿脱的机器人的松紧。这种机器人就像是一个背心，它像第二层皮肤一样娇嫩，但也像甲虫的外骨骼一样具有保护作用。它能够支撑瘫痪者的体重，让患者原来无法活动的身体漫步、奔跑，再一次欢畅自由地探索世界。 然而，脑机接口技术的应用不仅限于医学领域。我相信，未来的人们将会实现的行为、将会体验到的感觉是我们今天无法想象，更无法表达的。脑机接口也许会改变我们使用工具的方法、改变我们彼此交流，以及与遥远的环境或世界进行联系的方式。为了透彻地理解未来世界的样貌，你首先需要设想这样的画面。当大脑的电波活动可以通过类似今天在我们周围穿行的无线电波来完成随意漫步的运动时，我们的日常生活将发生怎样的惊人改变。我们可以想象生活在这样一个世界里：人们仅仅是想一想，就可以使用电脑、开车、与他人交流；人们不再需要笨重的键盘或液压传动的方向盘，也不必依赖身体动作或口头语言来表达一个人的意愿。 在这个以大脑为中心的世界中，这类新获得的神经生物能力将天衣无缝地、毫不费力地扩展我们的运动能力、感知能力和认知能力，使人类的思想可以有效、完美地转化成运动指令，由此既可以操作简单的小工具，也可以调控复杂的工业机器人。设想在未来，你回到海边小屋，面朝大海，坐在最喜欢的椅子上，通过网络轻松地与世界上任何地方的任何人聊天，但却不用动手打字、动口说话。你不需要使用身体任何部位的肌肉——只是通过思想。 如果这种未来还不够诱人的话，那么你觉得足不出户便能全方位地感受到触摸几百万千米以外的另一个星球表面的真实感觉是不是很棒呢？甚至更美妙的是，你能够进入祖先的记忆库，下载他的思想，通过他最私密的感情和最生动的记忆，创造一次你们原本永远都不可能经历的邂逅。对于超越身体给大脑设定的边界将为人类带来怎样的未来生活，这些仅是窥豹一斑。 这种奇迹很快将不再是科幻小说中的内容。此时此地，这样的世界正在我们眼前开始展现。就像艾瑞尔教授所说的那样，为了投身其中，你所要做的就是跟随接下来将要奏响的音乐。