美军方尝试“读心术”，人体实验初见成效

wenxuefeng360 2019-10-20

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（文/Paul Tullis）

据MIT科技评论最新报道，美国国防部高级研究计划局(DARPA)的一个新研究项目正在开发大脑-计算机接口，希望它可以“控制无人机蜂群以思维的速度行动”。如果成功了呢？

1. 无需手术的读心术设备

今年8月，卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的三名研究生挤在一间没有窗户的地下室小实验室里，用临时组装的3D打印机框架电击一片小鼠大脑。

从海马体上切下来的大脑碎片看起来就像一片切得薄薄的大蒜。它被放在一个平台上。切片浸泡在盐、葡萄糖和氨基酸的溶液中。勉强维持它的生命：切片中的神经元继续放电，让实验者收集数据。切片下方的电极阵列发出电击，同时一个类似注射器的金属探针测试神经元的反应。明亮的LED灯照亮了器皿。用实验室成员的行话来说，这种设备搭建方式有点陈腐。

实验台旁边的监控器显示了刺激和反应：电极上的电流震动，几毫秒后，神经元开始放电。随后，研究人员将一种具有与人类头盖骨相同的电学和光学特性的材料放置在薄片和电极之间，看看他们能否通过模拟的头盖骨刺激小鼠的海马体。

他们这样做是因为他们想要在无需穿过头骨和触摸脆弱的脑组织的情况下探测和操纵人类大脑中的信号。他们的终极目标是：发展出准确而灵敏的人脑-计算机接口，可以像头盔或头罩一样戴上或取下，而无需手术。

2. 革命性的，有争议的

这项技术团队的首席研究员Pulkit Grover说，“(现在)这样的事情目前真的很难做到。”然而，他带领团队正在进行的就是“下一代非手术神经技术项目N³”——美国国防部高级研究计划局今年启动的一项1.04亿美元的项目。团队中分别使用电子、超声波信号，或是使用光学或磁性技术分别进行测试实验。如果这些方法中有任何一种成功，其结果将是革命性的。

3.脑机接口

这项手术不仅十分昂贵，从伦理角度来说也十分复杂，因为这是一个能够创造新型超级战士的手术。这种不需要手术的读心设备将会开启一个充满无限可能的世界。脑机接口(BCI)已被用于帮助四肢瘫痪的人重新获得对身体的有限控制，并使在伊拉克和阿富汗失去四肢的退伍军人能够控制人造肢体。“使用无人机和无人机蜂群，以思考的速度而不是通过机械装置进行操作——这就是这些设备的意义，” N³项目的主任Al Emondi这样说。

加州大学洛杉矶分校的计算机科学家Jacques J. Vidal早在20世纪70年代初首次使用了“脑机接口”这个术语，它的定义随着它所描述的能力的发展而发展。脑电图法(EEG)是通过放置在颅骨上的电极来记录大脑的电活动，它被认为是大脑和计算机之间的第一个接口。到上世纪90年代末，凯斯西储大学的研究人员曾使用脑电图来解释四肢瘫痪者的脑电波，使他能够通过一根从他头皮上电极延伸出来的电线来移动电脑光标。

从那时起，读取大脑信息的侵入性和非侵入性技术都有了进步。用电信号刺激大脑来治疗癫痫等病症的设备也是如此。可以说，迄今为止开发的最强大的机制是尤他阵列（Utah array）。它看起来就像一个小钉床，大约只有小拇指指甲的一半大小，可以穿透大脑的某个特定部位。

4.人体实验

2010年的一天，Ian Burkhart在度假时，头撞到了沙洲上。他的脊髓被压断了，从第六颈神经开始，但他仍然可以移动肩膀和肘部的手臂，不过不能移动手和腿。物理疗法没有多大帮助。他询问俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心(Wexner Medical Center)的医生，韦克斯纳希望与非营利研究公司巴特尔(Battelle)合作进行一项研究，看看他们能否利用犹他芯片，让一名瘫痪者的四肢恢复生机。

脑电图显示了无数神经元的聚集活动，犹他阵列可以记录其中一小部分，甚至单个神经元的脉冲。2014年，医生在Burkhart的头上植入了一个犹他阵列。该阵列以每秒3万次的速度测量了他运动皮层内96个地方的电场。一年多的时间里，Burkhart每周都要来实验室几次，巴特尔的研究人员训练他们信号的处理算法，以捕捉他的意图，就像他想的那样，如果他可以的话，他会如何移动他的手。

一根粗大的电缆连接着从Burkhart的头骨中伸出的基座，将犹他阵列测量到的脉冲发送到一台计算机。电脑将它们解码，然后将信号传输到几乎覆盖他右前臂的电极套上。电极套激活了他的肌肉来完成他想做的动作，比如抓，举起，倒空一个瓶子，或者从他的钱包里拿出一张信用卡。

从此，Burkhart成为第一个通过这种“神经旁路”重新控制自己肌肉的人。而该团队的另一个项目正在与他合作，研究没有头骨植入的情况下是否达到相同的结果。

5. 近红外光，穿透头骨测量

与此同时，在约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL),另一个N³团队使用一个完全不同的方法：近红外光。

目前的理解是，当神经元发出电信号时，神经组织会膨胀和收缩。这些信号是科学家们用脑电图、犹他阵列或其他技术记录下来的。应用物理实验室的Dave Blodgett认为膨胀和组织的收缩是神经活动的良好信号，他想建立一个光学系统来测量这些变化。

过去的技术无法捕捉如此微小的身体动作，但Blodgett团队已经证明，他们可以看到老鼠摆动胡须时的神经活动。在触须闪烁10毫秒后，Blodgett用光学测量技术记录下相应的神经元放电。在暴露的神经组织中，他的团队已经记录了10微秒内的神经活动——就像犹他阵列或其他电法一样快。

下一个挑战是穿过头骨。由于近红外光可以穿透骨头，Blodgett的团队向头骨发射低功率红外激光，然后测量这些激光的散射情况。从而推断出发生了什么神经活动。这种方法还没有电信号那么成熟，但这正是美国国防部高级研究计划局项目所要承担的风险。

6. 新型的纳米颗粒，穿越血脑屏障

回到巴特尔，Gaurav Sharma正在开发一种新型的纳米颗粒，它可以穿过血脑屏障。美国国防部高级研究计划局称之为微创技术。纳米颗粒外壳的材料受力时，就会发电。如果这些纳米粒子受到磁场的作用，内核就会对外壳施加压力，从而产生小电流。Sharma说，磁场比光更能“看到”头骨。不同的磁圈使科学家们能够瞄准大脑的特定部分，而且这个过程可以被逆转——电流可以被转换成磁场，从而产生可以阅读的信号。

7. 真的有军事必要性吗？

这些方法中，哪一种会成功还有待观察。其他N³团队使用各种组合的光、电、磁和超声波来与大脑通信。科学发展的兴奋可能掩盖了五角大楼和Facebook等公司在解决非侵入性脑机接口所引发的道德、法律和社会问题方面的不足。Facebook也在开发脑机接口。无人机蜂群是如何被人类大脑直接控制，从而改变战争性质的呢？N3负责人Emondi称，神经接口将根据需要使用，而军事必要性就是一个可供商榷的标准。

8. 人体实验，继续

今年8月，我参观了巴特尔的一个实验室，在那里，Burkhart花了几个小时研究一种新电极套，它装有150个电极，可以刺激他的手臂肌肉。他和研究人员希望，他们可以让电极套发挥作用，而不必依赖犹他阵列来接收大脑信号。