腦機穿越：腦機接口改變人類未來

從瞭解“元宇宙”出發，先沉浸在《雪崩》科幻世界裏，再閱讀《腦機穿越》，它是不是“元宇宙”的未來？ 《腦機穿越》的作者Miguel Nicolelis（米格爾·尼科萊利斯），腦機接口之父! 他自己的經歷就是“腦機接口”的發展史。在過去20年裏，Nicolelis的實驗室已經成了神經學新潮流的一部分。新潮流改變了人類瞭解大腦的方式，它使用新方法來測量複雜神經元集羣的行爲，追蹤相互交織的思維來源，其中包括時時刻刻在發生改變、相互依賴且具有相對性的動態。這是神經元空間與時間相互融合的方式，它不斷改變着神經迴路中每個構成元素的貢獻大小。 Nicolelis這本書之所以晦澀難懂，是因爲他要演示幾十年腦機科學家們的艱難實驗經歷，感覺很有論文條框之嫌。 如何讀這本神作？ 先追隨作者的思維邏輯依以下三點展開： 1、思維是如何產生的？ 2、信息輸出：機器如何讀取大腦信息 3、信息輸入：反饋信號如何作用於大腦 第一：思維是如何產生的？ 他介紹了10個原則。在他看來，它們從最真實的、電的意義上描述了思維是如何產生的。可以理解爲思維是神經元的電活動，是分子間的電子交換。 對這些原則我的理解是針對機器能接受的命令的原則，多少有些像比賽規則，但它們的基礎是兩個簡單的解剖學和生理學事實，就像自然世界中的重力和電磁力。這兩個事實定義了大腦所處的有機宇宙： ●數十億神經元產生的電流能夠在排列緊密的神經元之間以及它們的間隙中傳播。這種空間是連續的、含鹽的，因此具有很強的導電性。電流的傳播會產生廣泛的電磁場，雖然從絕對大小上來說，它非常微弱，但仍能夠影響相鄰的神經元。 ●數萬個潛在的遠距離的前饋與反饋連接，其中包括多突觸皮層與皮層下回路，構成了非常複雜的網絡。這種網絡提供了數千甚至數百萬種路徑。通過這些路徑，給定皮層區域的神經元能夠與大腦中相距很遠的其他神經元進行交流。 第二：機器如何讀取大腦信息？ 十個原則和二個假設，都是在近二十年不斷嘗試機器如何讀取大腦信息過程中一系列實驗的成果。他的實驗室設計腦機接口算法和系統來解碼神經元信號。實際上就是用機器能讀取大腦信息的辦法解讀思維是如何產生的，Miguel Nicolelis（米格爾·尼科萊利斯）通過覆蓋廣大皮層區域的電極來提取神經信號、驅動腦機接口，腦機接在某一時刻使用的神經元數爲50-200個。這意味着，驅動Nicolelis腦機接口的信號只相當於運動皮層所有神經元集羣的0.000 001%。 有關腦機接口的爭論主要是關於採用哪種方法更好的討論：是應該採用非侵入性的方法（比如頭皮腦電圖），還是應該採用在大腦中長期植入微電極陣列這種侵入性方法。正如Nicolelis在貝拉和奧羅拉的實驗中得到的，這種方法創造了腦機接口，能夠有效地利用自發的大腦活動來控制機械手臂。侵入式腦機接口主要用於重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信號的質量比較高。但其缺點是容易引發免疫反應和愈傷組織（疤），進而導致信號質量的衰退甚至消失。Nicolelis認爲當兩大接口陣營意識到，可以從侵入性以及非侵入性的技術中各自找出最好的治療方法來建立腦機接口時，他們的爭論就會停止。 第三：信息輸入：反饋信號如何作用於大腦 事實上，最成功的神經假肢器官是人工耳蝸，它已經使全世界數萬耳聾病人重新獲得了功能性的聽力水平。人工耳蝸利用了聽神經中尚完好的纖維的電刺激來激發它的臨牀效果。 而視覺反饋之所以成爲腦機接口中比較受青睞的反饋選擇，是因爲在實驗室環境中，它比較容易實施。 但是，Nicolelis們認爲這種傳遞反饋信息的方法依賴的仍是高度專門化的身體感覺器官。不能認爲腦機接口已經徹底將大腦從身體中解放了出來。“科技主義”在這羣神經學家的口中顯露無爲，爲了真正超越這些侷限，把大腦從身體中解放了出來，他們必須找到一種方法讓腦機接口的輸入反饋部分完全不受身體周圍感覺器官的調節。他提出相對性大腦假設，他認爲這些腦機技術能重塑大腦自己的觀點。這是貫穿本書的一個理念，我的理解是老司機人車合一的概念。 他們展開了各種實驗，其中的“解碼鼠”與“探索鼠”實驗的確是一個令人震驚的實驗版本，它讓來自虛擬體驗的大腦電活動真正達成了共識，這些電活動是如此獨特卻又稍縱即逝。或者說這是“腦聯網”的起點，問題是作者在本章開始已經急不可待地展開“腦聯網”的暢想。 還有林世傑的實驗，他的實驗勾勒了整體大腦吸引區，所謂“尼斯湖水怪”圖。整個大腦動態以及這些動態如何由大腦能量所決定的扼要描繪。被試的整體大腦動態每時每刻都會隨着它對神經調節因素的反應而發生改變，這些神經調節因素促使數十億相互連接的神經元產生連續的電活動。然而，大腦只能從一種穩定的動態狀態轉變爲另一種同樣穩定的狀態，也就是說，皮層迴路能夠共同達到必要的能量閾值。當前腦的同步神經元活動達到很高的一致性時，就會發生狀態的轉變。換句話說就是，“尼斯湖水怪”狀態-空間圖讓我們可以一窺大腦自身的觀點。自然地，當這些傳入的時空信號遇到皮層迴路時，大腦會穩定到某種動態狀態。根據相對性大腦的假設，在某一時刻，兩種時空信號，即傳入的周圍信號與大腦內部動態狀態的相遇，會產生真正的電活動模式，這便是一個人對世界的知覺。相應地，我們可以預期相同的周圍感覺刺激會遇到兩個不同的內在動態狀態，產生完全不同的活動模式，因此會引發同一個被試不同的知覺體驗。 上面👆🏻Nicolelis的觀點其實就是“電”反饋達成信息輸入，作用於大腦。阿基米德說“給我一個支點，我就可以撬動整個地球。”這就是Nicolelis的支點，撬動“腦聯網”！他認爲這個動態複雜系統的緊急行爲會釋放出無法超越的力量。“腦聯網”下無法可能預測從幾十億個神經元中抽取出來的、不斷變化的神經元集羣的行爲。“新人類”將誕生。這就是Nicolelis憧憬的人類未來。 Nicolelis本書提出了10個神經生理學原則和二個假設，這些原則源於他們對愛莎、奧羅拉、伊多亞以及許多其他動物進行的腦機接口實驗。完整歸納如下： 原則1：神經生理學不確定原則 如果不明確某個特定時刻，我們便不能定義某個神經元感受野的空間域。換句話說，神經元放電的時間域與空間域是緊密聯繫在一起的，它們共同定義了神經元的時空連續體。 原則2：異步會聚原則 單個神經元的感受野以及嵌入在腦區中的“地圖”，由無數其他神經元所產生的上行影響、本地影響以及下行影響的異步時空會聚所定義。在單一的時空連續體中，只有將神經元的空間域與時間域結合起來，才能恰當地定義感受野及地圖。 原則3：分佈編碼原則 大腦對任何類型的信息的加工都要徵召分佈廣泛的神經元集羣。 原則4：單個神經元不足原則 成爲特定參數的單個神經元無論調諧得多好，它的放電率都不足以維持皮層所醞釀的某種功能或行爲。由於多數單個神經元的貢獻會時刻發生顯著改變，因此它們缺乏統計上的可靠性。這意味着，腦機接口無法在長時間裏僅僅基於單個神經元的放電率，就能保持始終如一的運作。而且，思維的基本功能單位也不會是單個神經元，而應該是神經元集羣。 原則5：神經元多任務處理原則 單個皮層神經元及它們可能的放電能夠同時參與多種功能的神經元集羣。這意味着，單個神經元所產生的峯電位能夠被不同的神經元集羣用來編碼多種功能參數和行爲參數。因此，即使在某一時刻，單個神經元或許會更明顯地與某個運動參數或感覺參數調諧，但它的快速放電會同時參與另一個神經元子集執行的不同參數的編碼。神經元多任務處理原則預測，整個大腦皮層能夠展示出跨形態的感覺反應，而單個神經元能夠編碼多種運動參數或者其他更高層的認知參數。 原則6：神經簡併原則 某一特定的大腦結果，無論是運動行爲、知覺體驗，甚至是複雜行爲，比如唱歌或解方程，都可以由種類繁多的、不同的神經元時空活動模式產生。 原則7：可塑性原則 皮層神經元所創造的有關世界的表徵並非固定不變的，而是不穩定的。在人的一生中，根據新經驗、新的自我模式、外部世界的新刺激以及新同化工具等的不同，這一表徵會不斷調整自己。 原則8：背景原則 對於傳入的刺激或對產生某種動作行爲的需要，大腦皮層會作爲一個整體來進行應答，其反應取決於當時大腦整體的內在狀態。也就是說，爲產生某種行爲，不斷變化的大腦動態對於確定最佳解決方案至關重要。 原則9：神經元集羣放電保存原則 神經元集羣的放電不僅有最大值的限制，而且整個集羣的放電率趨向於一個固定值。其放電率在平均值周圍徘徊，因爲各種補償機制創建了一種穩定的平衡狀態。如果單個或多個皮層神經元瞬間增大它們的放電率，那麼集羣中其他神經元很快會產生一個相等的鏡像減量，這樣大腦整體的能量預算便能長期保持恆定。 原則10：神經元規模效應原則 當皮層神經元集羣的大小超過一定數量時，神經元集羣所攜帶的信息量就會趨近於它的最大信息容量。源於大量神經元集羣的預測，在統計上的差異會大幅度減少，這就體現出了規模效應。神經元規模效應原則是解釋單個神經元放電非常高的差異性如何最終被消除的一種可能方法。單個神經元的貢獻被平均分散到大的神經元集羣中，這樣，單個神經元便在執行某種行爲的過程中與神經元集羣發生了某種功能上的聯繫。 還有二個假設： 1：相對性大腦假設 當用新方法獲得有關周圍世界的統計信息時，被試的大腦傾向於同化這些統計信息以及用以收集這些信息的感官或工具。大腦因此會產生一個有關世界的新模式、對被試身體的新刺激，以及定義個體對現實的知覺和自我感的一套新邊界或新限制。在被試的整個生命中，這種新的大腦模式還會繼續接受檢驗和重塑。由於大腦消耗的總能量以及神經元放電的最大速度都固定不變，因此就這些限制而言，我們必須將神經元的空間與時間視爲相對的。 2：神經元時空連續體假設 從生理學的觀點來看，這一假設與20世紀皮層神經解剖學的經典原則正好相反。皮層區域間並不存在絕對的或固定的空間界限，這些界限決定或限制了大皮層的功能性活動。相反，我們應該把大腦皮層設想爲一個強大但有限的神經元時空連續體。在這個連續體中，被“徵用”的神經元時空部分基於一系列的限制，被分別配置給一些功能和行爲，或者產生了這些功能和行爲。這些限制包括物種的進化史、基因及早期發展所決定的大腦佈局、大腦內在的動態狀態、其他身體侷限、任務背景、大腦可以使用的能量總數以及神經元放電的最大速度。

筆記： 還原論和局部論無法一窺大腦思維的壯闊，相對性大腦的時空連續體才能幫助我們理解宇宙中最爲複雜的思維意識現象； 大腦保持可塑性，功能用進廢退，但神經元資源不會閒置，將被徵用； 神經元集羣是大腦工作的組織方式，腦機接口針對神經元集羣做行爲-信號相關性分析，匹配信號與機器行爲，就目前而言能識別的信息仍然非常有限； 侵入式接口相對精確但爭議較大，非侵入式接口分辨率低； 大腦放電產生的各種電磁波的同步、混亂、頻率等狀態，影響了大腦的工作狀態，由此會產生神經及精神疾病； 大腦的背景觀點決定我們如何統合新的信息。

先說不好的，看完本書，習慣地往後翻，本以爲還應該有長長的引用文獻或資料的列表，遺憾的是並沒看到。我猜十有八九是被譯者或者中文編輯給遺忘了。讓人有一種踩在棉花上的感覺。 作者在本書中挑戰了傳統，總結了大腦功能的十個原則。不記得具體是什麼原則，但依然能記住的觀點有： 1. 大腦的工作是分佈式的而不是局部的； 2. 大腦的相對性，其功能不是被束縛在身體上，而是可以延展到身體之外的工具，樂器等 3. 大腦中沒有“祖母細胞”，如果有，時間長了也可能變成“瑪麗”細胞。 作者深厚的科學功底，在神經科學耕耘25年後纔出了這本書，讀來膾炙人口。 很多非常精巧的實驗設計，着實讓人佩服。讓老鼠學會了只用意識而不用四肢就能操作操縱桿獲得獎勵。讓猴子的神經元放電啓動了跨越重洋的機器人。這些都是在幾十年前完成動物工作。 很好的科普書，再來一個贊

作者其實已經很努力地想要平易近人些了，在理論闡述中穿插着人生經歷和一個巴西人對足球的愛，很多實驗的設計堪稱精妙，插圖大讚。書中總結了十個神經生理學原則，是作者理論的簡明版。但無奈主題頗爲前沿，跟其它腦科學的書一樣，讀完仍然抓不住。 作者把他的觀點統合爲相對性大腦理論，認爲中樞神經系統真正的功能單元是神經元羣而不是單個神經元。不應該把大腦看成是分離的、高度專門化且各自爲政的皮層區域，或是根據嚴格的等級拼湊在一起的嵌合體。皮層區域間並不存在絕對的或固定的空間界限，這些界限決定或限制了大皮層的功能性活動。相反，我們應該把大腦皮層設想爲一個強大但有限的神經元時空連續體。在這個連續體中，被“徵用”的神經元時空部分基於一系列的限制，被分別配置給一些功能和行爲，或者產生了這些功能和行爲。雖然最初設定了大腦皮層的佈局，但在需要的時候，神經元集羣依然能被“徵用”。

在我們飛上天空，探索外部宇宙的同時，一部分科學家在努力解開每個人天生擁有的腦內宇宙之謎。很棒的科普書。關於“相對性大腦”、“神經元時空連續體”等炫酷的科學名詞還需要消化一下。

從各種實驗來說明驗證腦機接口的真實性和可行性，閱讀過程中結合自己的親身體驗和經歷，很容易理解其中的奧義。我不免也擔憂起來，既然腦機接口是未來的趨勢和直接技術，對於心術不正的人來說也是災難性的工具，勢必會影響人類的安全和自由。欣喜的是積極方面也可以幫助殘疾人恢復健康，從而更好的生活。想必未來會出臺有關腦機接口的法律條文來約束引導人們的行爲。人類活着就是最大的意義，數字永生是最美好的憧憬。特別是和愛的人在一起。展望未來，充滿希望的感覺真好。

從神經學的角度看，心理只是表象，而背後真正的動因在於神經元的不同動態。爲什麼不同的人遇到相同的事情，會產生不同的反應？這是因爲每個人的大腦神經元對外界刺激會產生不同的放電模式，甚至同一個人對前後發生的相同事情也會產生不同的反應。按照作者的觀點，大腦具有自己的觀點，它並不是被動地接受外界刺激，而是外部世界在大腦中的模式的主動建構者。-----[機智]所以這個世界產生了哲學家 通過這本書得到的是，深入的瞭解了人類的大腦，就像前面說的，歸結起來就是與生俱來的脆弱和限制。那麼，如有一天，腦機成功的對接了，必將掌控人類的進化，也將實現人類的永生，數字化的永生！再有，找到三觀一致的人也將會變得非常簡單，茫茫人海，腦電波彼此一插就能知道對不對味了[奸笑]。 人類自身發展起來的文明和社會倫理道德也將成爲人類自己真正的最寶貴的遺產，標誌着地球文明，投入到浩瀚的宇宙！[嘿哈]

大腦是一部能夠解析、解碼、感觸宇宙物質的精密調制解調器，越來越相信宗教哲學與科學之間的漸進的互爲印證的必然

任何新事物初期階段都是可笑的，當這些事物成長起來後將是強大的可怕的。希望科技在服務人類的軌道上前行。

作者功底紮實，學科的來龍去脈娓娓道來。打破大腦功能定位的主流觀點，強調大腦的動態可塑性以及分佈處理原則，觀點新穎，內容有趣，對於認識大腦的運作方式頗具啓發性。