脑机穿越：脑机接口改变人类未来

从了解“元宇宙”出发，先沉浸在《雪崩》科幻世界里，再阅读《脑机穿越》，它是不是“元宇宙”的未来？ 《脑机穿越》的作者Miguel Nicolelis（米格尔·尼科莱利斯），脑机接口之父! 他自己的经历就是“脑机接口”的发展史。在过去20年里，Nicolelis的实验室已经成了神经学新潮流的一部分。新潮流改变了人类了解大脑的方式，它使用新方法来测量复杂神经元集群的行为，追踪相互交织的思维来源，其中包括时时刻刻在发生改变、相互依赖且具有相对性的动态。这是神经元空间与时间相互融合的方式，它不断改变着神经回路中每个构成元素的贡献大小。 Nicolelis这本书之所以晦涩难懂，是因为他要演示几十年脑机科学家们的艰难实验经历，感觉很有论文条框之嫌。 如何读这本神作？ 先追随作者的思维逻辑依以下三点展开： 1、思维是如何产生的？ 2、信息输出：机器如何读取大脑信息 3、信息输入：反馈信号如何作用于大脑 第一：思维是如何产生的？ 他介绍了10个原则。在他看来，它们从最真实的、电的意义上描述了思维是如何产生的。可以理解为思维是神经元的电活动，是分子间的电子交换。 对这些原则我的理解是针对机器能接受的命令的原则，多少有些像比赛规则，但它们的基础是两个简单的解剖学和生理学事实，就像自然世界中的重力和电磁力。这两个事实定义了大脑所处的有机宇宙： ●数十亿神经元产生的电流能够在排列紧密的神经元之间以及它们的间隙中传播。这种空间是连续的、含盐的，因此具有很强的导电性。电流的传播会产生广泛的电磁场，虽然从绝对大小上来说，它非常微弱，但仍能够影响相邻的神经元。 ●数万个潜在的远距离的前馈与反馈连接，其中包括多突触皮层与皮层下回路，构成了非常复杂的网络。这种网络提供了数千甚至数百万种路径。通过这些路径，给定皮层区域的神经元能够与大脑中相距很远的其他神经元进行交流。 第二：机器如何读取大脑信息？ 十个原则和二个假设，都是在近二十年不断尝试机器如何读取大脑信息过程中一系列实验的成果。他的实验室设计脑机接口算法和系统来解码神经元信号。实际上就是用机器能读取大脑信息的办法解读思维是如何产生的，Miguel Nicolelis（米格尔·尼科莱利斯）通过覆盖广大皮层区域的电极来提取神经信号、驱动脑机接口，脑机接在某一时刻使用的神经元数为50-200个。这意味着，驱动Nicolelis脑机接口的信号只相当于运动皮层所有神经元集群的0.000 001%。 有关脑机接口的争论主要是关于采用哪种方法更好的讨论：是应该采用非侵入性的方法（比如头皮脑电图），还是应该采用在大脑中长期植入微电极阵列这种侵入性方法。正如Nicolelis在贝拉和奥罗拉的实验中得到的，这种方法创造了脑机接口，能够有效地利用自发的大脑活动来控制机械手臂。侵入式脑机接口主要用于重建特殊感觉（例如视觉）以及瘫痪病人的运动功能。此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质，因而所获取的神经信号的质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织（疤），进而导致信号质量的衰退甚至消失。Nicolelis认为当两大接口阵营意识到，可以从侵入性以及非侵入性的技术中各自找出最好的治疗方法来建立脑机接口时，他们的争论就会停止。 第三：信息输入：反馈信号如何作用于大脑 事实上，最成功的神经假肢器官是人工耳蜗，它已经使全世界数万耳聋病人重新获得了功能性的听力水平。人工耳蜗利用了听神经中尚完好的纤维的电刺激来激发它的临床效果。 而视觉反馈之所以成为脑机接口中比较受青睐的反馈选择，是因为在实验室环境中，它比较容易实施。 但是，Nicolelis们认为这种传递反馈信息的方法依赖的仍是高度专门化的身体感觉器官。不能认为脑机接口已经彻底将大脑从身体中解放了出来。“科技主义”在这群神经学家的口中显露无为，为了真正超越这些局限，把大脑从身体中解放了出来，他们必须找到一种方法让脑机接口的输入反馈部分完全不受身体周围感觉器官的调节。他提出相对性大脑假设，他认为这些脑机技术能重塑大脑自己的观点。这是贯穿本书的一个理念，我的理解是老司机人车合一的概念。 他们展开了各种实验，其中的“解码鼠”与“探索鼠”实验的确是一个令人震惊的实验版本，它让来自虚拟体验的大脑电活动真正达成了共识，这些电活动是如此独特却又稍纵即逝。或者说这是“脑联网”的起点，问题是作者在本章开始已经急不可待地展开“脑联网”的畅想。 还有林世杰的实验，他的实验勾勒了整体大脑吸引区，所谓“尼斯湖水怪”图。整个大脑动态以及这些动态如何由大脑能量所决定的扼要描绘。被试的整体大脑动态每时每刻都会随着它对神经调节因素的反应而发生改变，这些神经调节因素促使数十亿相互连接的神经元产生连续的电活动。然而，大脑只能从一种稳定的动态状态转变为另一种同样稳定的状态，也就是说，皮层回路能够共同达到必要的能量阈值。当前脑的同步神经元活动达到很高的一致性时，就会发生状态的转变。换句话说就是，“尼斯湖水怪”状态-空间图让我们可以一窥大脑自身的观点。自然地，当这些传入的时空信号遇到皮层回路时，大脑会稳定到某种动态状态。根据相对性大脑的假设，在某一时刻，两种时空信号，即传入的周围信号与大脑内部动态状态的相遇，会产生真正的电活动模式，这便是一个人对世界的知觉。相应地，我们可以预期相同的周围感觉刺激会遇到两个不同的内在动态状态，产生完全不同的活动模式，因此会引发同一个被试不同的知觉体验。 上面👆🏻Nicolelis的观点其实就是“电”反馈达成信息输入，作用于大脑。阿基米德说“给我一个支点，我就可以撬动整个地球。”这就是Nicolelis的支点，撬动“脑联网”！他认为这个动态复杂系统的紧急行为会释放出无法超越的力量。“脑联网”下无法可能预测从几十亿个神经元中抽取出来的、不断变化的神经元集群的行为。“新人类”将诞生。这就是Nicolelis憧憬的人类未来。 Nicolelis本书提出了10个神经生理学原则和二个假设，这些原则源于他们对爱莎、奥罗拉、伊多亚以及许多其他动物进行的脑机接口实验。完整归纳如下： 原则1：神经生理学不确定原则 如果不明确某个特定时刻，我们便不能定义某个神经元感受野的空间域。换句话说，神经元放电的时间域与空间域是紧密联系在一起的，它们共同定义了神经元的时空连续体。 原则2：异步会聚原则 单个神经元的感受野以及嵌入在脑区中的“地图”，由无数其他神经元所产生的上行影响、本地影响以及下行影响的异步时空会聚所定义。在单一的时空连续体中，只有将神经元的空间域与时间域结合起来，才能恰当地定义感受野及地图。 原则3：分布编码原则 大脑对任何类型的信息的加工都要征召分布广泛的神经元集群。 原则4：单个神经元不足原则 成为特定参数的单个神经元无论调谐得多好，它的放电率都不足以维持皮层所酝酿的某种功能或行为。由于多数单个神经元的贡献会时刻发生显著改变，因此它们缺乏统计上的可靠性。这意味着，脑机接口无法在长时间里仅仅基于单个神经元的放电率，就能保持始终如一的运作。而且，思维的基本功能单位也不会是单个神经元，而应该是神经元集群。 原则5：神经元多任务处理原则 单个皮层神经元及它们可能的放电能够同时参与多种功能的神经元集群。这意味着，单个神经元所产生的峰电位能够被不同的神经元集群用来编码多种功能参数和行为参数。因此，即使在某一时刻，单个神经元或许会更明显地与某个运动参数或感觉参数调谐，但它的快速放电会同时参与另一个神经元子集执行的不同参数的编码。神经元多任务处理原则预测，整个大脑皮层能够展示出跨形态的感觉反应，而单个神经元能够编码多种运动参数或者其他更高层的认知参数。 原则6：神经简并原则 某一特定的大脑结果，无论是运动行为、知觉体验，甚至是复杂行为，比如唱歌或解方程，都可以由种类繁多的、不同的神经元时空活动模式产生。 原则7：可塑性原则 皮层神经元所创造的有关世界的表征并非固定不变的，而是不稳定的。在人的一生中，根据新经验、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，这一表征会不断调整自己。 原则8：背景原则 对于传入的刺激或对产生某种动作行为的需要，大脑皮层会作为一个整体来进行应答，其反应取决于当时大脑整体的内在状态。也就是说，为产生某种行为，不断变化的大脑动态对于确定最佳解决方案至关重要。 原则9：神经元集群放电保存原则 神经元集群的放电不仅有最大值的限制，而且整个集群的放电率趋向于一个固定值。其放电率在平均值周围徘徊，因为各种补偿机制创建了一种稳定的平衡状态。如果单个或多个皮层神经元瞬间增大它们的放电率，那么集群中其他神经元很快会产生一个相等的镜像减量，这样大脑整体的能量预算便能长期保持恒定。 原则10：神经元规模效应原则 当皮层神经元集群的大小超过一定数量时，神经元集群所携带的信息量就会趋近于它的最大信息容量。源于大量神经元集群的预测，在统计上的差异会大幅度减少，这就体现出了规模效应。神经元规模效应原则是解释单个神经元放电非常高的差异性如何最终被消除的一种可能方法。单个神经元的贡献被平均分散到大的神经元集群中，这样，单个神经元便在执行某种行为的过程中与神经元集群发生了某种功能上的联系。 还有二个假设： 1：相对性大脑假设 当用新方法获得有关周围世界的统计信息时，被试的大脑倾向于同化这些统计信息以及用以收集这些信息的感官或工具。大脑因此会产生一个有关世界的新模式、对被试身体的新刺激，以及定义个体对现实的知觉和自我感的一套新边界或新限制。在被试的整个生命中，这种新的大脑模式还会继续接受检验和重塑。由于大脑消耗的总能量以及神经元放电的最大速度都固定不变，因此就这些限制而言，我们必须将神经元的空间与时间视为相对的。 2：神经元时空连续体假设 从生理学的观点来看，这一假设与20世纪皮层神经解剖学的经典原则正好相反。皮层区域间并不存在绝对的或固定的空间界限，这些界限决定或限制了大皮层的功能性活动。相反，我们应该把大脑皮层设想为一个强大但有限的神经元时空连续体。在这个连续体中，被“征用”的神经元时空部分基于一系列的限制，被分别配置给一些功能和行为，或者产生了这些功能和行为。这些限制包括物种的进化史、基因及早期发展所决定的大脑布局、大脑内在的动态状态、其他身体局限、任务背景、大脑可以使用的能量总数以及神经元放电的最大速度。

笔记： 还原论和局部论无法一窥大脑思维的壮阔，相对性大脑的时空连续体才能帮助我们理解宇宙中最为复杂的思维意识现象； 大脑保持可塑性，功能用进废退，但神经元资源不会闲置，将被征用； 神经元集群是大脑工作的组织方式，脑机接口针对神经元集群做行为-信号相关性分析，匹配信号与机器行为，就目前而言能识别的信息仍然非常有限； 侵入式接口相对精确但争议较大，非侵入式接口分辨率低； 大脑放电产生的各种电磁波的同步、混乱、频率等状态，影响了大脑的工作状态，由此会产生神经及精神疾病； 大脑的背景观点决定我们如何统合新的信息。

先说不好的，看完本书，习惯地往后翻，本以为还应该有长长的引用文献或资料的列表，遗憾的是并没看到。我猜十有八九是被译者或者中文编辑给遗忘了。让人有一种踩在棉花上的感觉。 作者在本书中挑战了传统，总结了大脑功能的十个原则。不记得具体是什么原则，但依然能记住的观点有： 1. 大脑的工作是分布式的而不是局部的； 2. 大脑的相对性，其功能不是被束缚在身体上，而是可以延展到身体之外的工具，乐器等 3. 大脑中没有“祖母细胞”，如果有，时间长了也可能变成“玛丽”细胞。 作者深厚的科学功底，在神经科学耕耘25年后才出了这本书，读来脍炙人口。 很多非常精巧的实验设计，着实让人佩服。让老鼠学会了只用意识而不用四肢就能操作操纵杆获得奖励。让猴子的神经元放电启动了跨越重洋的机器人。这些都是在几十年前完成动物工作。 很好的科普书，再来一个赞

作者其实已经很努力地想要平易近人些了，在理论阐述中穿插着人生经历和一个巴西人对足球的爱，很多实验的设计堪称精妙，插图大赞。书中总结了十个神经生理学原则，是作者理论的简明版。但无奈主题颇为前沿，跟其它脑科学的书一样，读完仍然抓不住。 作者把他的观点统合为相对性大脑理论，认为中枢神经系统真正的功能单元是神经元群而不是单个神经元。不应该把大脑看成是分离的、高度专门化且各自为政的皮层区域，或是根据严格的等级拼凑在一起的嵌合体。皮层区域间并不存在绝对的或固定的空间界限，这些界限决定或限制了大皮层的功能性活动。相反，我们应该把大脑皮层设想为一个强大但有限的神经元时空连续体。在这个连续体中，被“征用”的神经元时空部分基于一系列的限制，被分别配置给一些功能和行为，或者产生了这些功能和行为。虽然最初设定了大脑皮层的布局，但在需要的时候，神经元集群依然能被“征用”。

在我们飞上天空，探索外部宇宙的同时，一部分科学家在努力解开每个人天生拥有的脑内宇宙之谜。很棒的科普书。关于“相对性大脑”、“神经元时空连续体”等炫酷的科学名词还需要消化一下。

从各种实验来说明验证脑机接口的真实性和可行性，阅读过程中结合自己的亲身体验和经历，很容易理解其中的奥义。我不免也担忧起来，既然脑机接口是未来的趋势和直接技术，对于心术不正的人来说也是灾难性的工具，势必会影响人类的安全和自由。欣喜的是积极方面也可以帮助残疾人恢复健康，从而更好的生活。想必未来会出台有关脑机接口的法律条文来约束引导人们的行为。人类活着就是最大的意义，数字永生是最美好的憧憬。特别是和爱的人在一起。展望未来，充满希望的感觉真好。

从神经学的角度看，心理只是表象，而背后真正的动因在于神经元的不同动态。为什么不同的人遇到相同的事情，会产生不同的反应？这是因为每个人的大脑神经元对外界刺激会产生不同的放电模式，甚至同一个人对前后发生的相同事情也会产生不同的反应。按照作者的观点，大脑具有自己的观点，它并不是被动地接受外界刺激，而是外部世界在大脑中的模式的主动建构者。-----[机智]所以这个世界产生了哲学家 通过这本书得到的是，深入的了解了人类的大脑，就像前面说的，归结起来就是与生俱来的脆弱和限制。那么，如有一天，脑机成功的对接了，必将掌控人类的进化，也将实现人类的永生，数字化的永生！再有，找到三观一致的人也将会变得非常简单，茫茫人海，脑电波彼此一插就能知道对不对味了[奸笑]。 人类自身发展起来的文明和社会伦理道德也将成为人类自己真正的最宝贵的遗产，标志着地球文明，投入到浩瀚的宇宙！[嘿哈]

大脑是一部能够解析、解码、感触宇宙物质的精密调制解调器，越来越相信宗教哲学与科学之间的渐进的互为印证的必然

任何新事物初期阶段都是可笑的，当这些事物成长起来后将是强大的可怕的。希望科技在服务人类的轨道上前行。

作者功底扎实，学科的来龙去脉娓娓道来。打破大脑功能定位的主流观点，强调大脑的动态可塑性以及分布处理原则，观点新颖，内容有趣，对于认识大脑的运作方式颇具启发性。