《脑机穿越》内容简介

《脑机穿越》讲述了“人机融合”的未来，即“脑机接口时代”即将到来！在未来科技的驱动下，科幻大片的场景已逐渐走入现实。人类通过思维控制人造工具，如今听起来无法想象的事情，在未来会成为常态。从海洋深处到超新星禁区，甚至到我们体内细胞空间的微小裂缝，人类的触及范围最终将追上我们探索未知领域的野心。
《脑机穿越》也是“脑机接口”的简要发展史。作者尼科莱利从脑机接口对传统神经科学的颠覆，到早期的“信息输出”，即机器如何读取大脑信息；再到现在科学家苦心钻研的“信息输入”问题，即反馈信号如何作用于大脑……为我们描绘了一幅人类未来新图景！ 在未来，随着脑机接口技术的不断完善，很多渐冻人患者、严重瘫痪患者也将从中受益。脑机接口有望让这些病患重新恢复功能性运动，重新学会行走。同时，脑机接口并不只局限在医疗康复领域，作者正在进行的“大脑校园”项目将是多学科合作的典范，它将提升人们的教育、健康及生活标准。甚至，我们能进入祖先的记忆库，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……对于脑机接口将为人类带来怎样的未来生活，这些仅是窥豹一斑。
世界顶级科研机构巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人，美国杜克大学神经工程研究中心创始人，现任杜克大学医学院神经生物学教授。
法国科学院院士、巴西科学院院士，常在《自然》 《科学》等国际一流学术期刊上发表论文。2004年被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一，其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。
2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者。

作品目录

推荐序
跨越卢比孔河
一部翔实的实验室日志
开启新的可能
过河？过河！
中文版序
用意念掌控生活
引言
美妙的大脑交响乐
从宇宙大爆炸到人脑的形成
神经元投票与“人性”的产生
脑机接口，超越身体与大脑的边界
｜第一部分｜
传统神经科学的颠覆
01何为思维
百万人的呐喊
大脑“相对论”
大脑如何决策
大脑如何应对风险
“观点”从何而来
02思维“捕手”
阿德里安爵士：“智能”存在于何处？
托马斯·杨与三色理论
戈尔季与卡哈尔的诺奖之争
03模拟身体
细胞结构学的兴起与鼎盛
触觉体验与小矮人图
濒死体验与幻肢现象
探索幻肢根源
大脑可塑性实验
脑机融合开启人类进化新篇章：04聆听神经元交响乐
第一条脑电图记录
微电极的协助
微电极的局限性
研究从单一神经元转向神经元群
多电极记录的“呼唤”
｜第二部分｜
信息输出：机器如何读取大脑信息
05老鼠如何逃脱猫爪
爱莎胡须的秘密
首要胡须的奥秘
多胡须的应答
时空感受野的发现
感觉重组
清醒状态下的“标定实验”
进一步证实
06解放奥罗拉的大脑
奥罗拉，第一位人类受训者
意想不到的噩耗
脑机接口的设想
用意念喝水
用意念操控机械臂
马内实验破解人类大脑
07只靠思想来完成的“丰功伟绩”
生物反馈研究
严重残障病人的福音
需要多少神经元才可靠？
第三类皮质神经元
08伊多亚的伟大跨越
侵入性疗法与非侵入性疗法
猕猴两足行走训练
第一个由灵长类大脑控制的人形机器人
“月球行走实验”
09在地球客厅中感受火星红色沙丘上的行走
人类与人造工具
身体图式与工具同化
工具改变身体意向
大脑与行为的因果关系
工具同化的惊人影响
｜第三部分｜
信息输入：反馈信号如何作用于大脑
10第六感磁老鼠与未来实验
脑联网的畅想
从“信息输出”到“信息输入”
饱受争议的大脑植入物
惹恼机器人专家的小白鼠
脑电刺激应用于脑机接口
与动物直接对话
11潜伏着的“尼斯湖水怪”
永不停歇的电的海洋
绘制老鼠的清醒—睡眠周期
知觉体验
大脑中的时空碰撞
12越过边界
复杂性系统的行为预测
大脑越过“边界”
大脑更似媒介
“相对性”概念仍饱受争议
结语
脑机接口与人类未来
莉吉娅的等待
机器接管地球？
医疗前景：重新行走项目与外骨骼
认识神经及精神疾病的本质
社会前景：“大脑校园”与数字化永生
译者后记
湛庐，与思想有关……

热门书摘

推荐序 跨越卢比孔河

橡胶手错觉实验以及实验室诱导的“灵魂出窍”体验，都说明大脑主动塑造了自我感以及身体存在的边界。

如果你曾怀疑被夺去真爱的痛苦，那么现在你可以确信无疑：爱的痛苦是真实的。这很可能是因为，对我们的大脑来说，失去爱的对象就像失去了自我的一部分，让我们感到无比孤独。而那么多人无法接受与他们深爱的手机分离哪怕一分钟的想法，也就不足为奇了。一旦模拟的身体所唤起的原始情感被释放出来，大脑便会毫无保留地接纳它们。

2002年，尼科莱利斯实现了“意念控制”的动物实验，通过训练一只名叫贝拉的猴子，他们成功地将猴子脑中的意念活动通过脑机接口导入到外界，控制了一只机械臂的动作。2008年1月的一天，更加惊人的成果呈现在世人面前：一个远在日本东京的机器人的行走，完全受到美国达勒姆实验室中猴子的“意念控制”——整个控制闭环所需要的时间，比猴子自身将大脑意念传递到自己肌肉的控制时间还短20毫秒！

1989年到美国费城哈内曼恩大学做博士后研究开始，尼科莱利斯就坚持这样的信念：不能把神经元个体看作大脑运作秘密的全部，而应当将大脑皮层想象成为一个“强大的时空连续体”。

从我自己的理解来看，我们承接、延续着500年来文艺复兴、启蒙运动等科学理性精神的光泽，享有并继承着丰硕的文明成果，但与此同时，我们思想的“底座”不幸被“格式化”为笛卡尔主义的，不幸将还原论、确定性、两分法和可分离原则，作为一切思考的基本方法。我们所形成、浸润其间的“工业思维”以及受其母体的逻各斯中心主义（西方形而上学主义）塑形的这个大脑，已成为横亘在我们面前的“卢比孔河”。

这种“身体图式”是大脑自己对触觉信息产生的某种“感知”，这种感知仿佛进入了骨骼、肌肉，成为了身体的延展。

，当我们有能力弄明白大脑中的电风暴所产生的私密信息的意义时，作为一个物种，我们可能成为什么以及我们应该怎么做。

果只有一个神经元来负责侦查出现在动物视野中的图像，那么这种动物的大脑只能对两种不同的图像作出反应。神经元快速放电时看到一个图像，慢速放电时看到另一个图像。这个神经元就无法辨别同时出现的其他图像。现在设想有100个不同的神经元被分配来完成同样的工作。同样是两种放电状态，但能够被看到的图像数量却会跃增为2100个。除

现在设想有100个不同的神经元被分配来完成同样的工作。同样是两种放电状态，但能够被看到的图像数量却会跃增为2100个。

大脑实际上是绝佳的模拟器

托马斯·杨（Thomas Young）是剑桥大学杰出的物理学家，同时也是埃及古物学者、语言学家、医生、生理学家、神经学家。

疼痛的闸门控制理论这一理论是革命性的疼痛研究，它明确地展示出痛感是由大脑内部产生的。大脑作为现实的最终塑造者，能够根据自己的意愿来调节源自周围的有害刺激。这一理论将人们理解疼痛的参考点从周围疼痛受体和神经转化为大脑自身。

梅尔扎克对幻肢现象的解释挑战了经典的认知教条。他提出，大脑除了会“侦查”来自身体的感觉信号外，还会产生某种活动模式或所谓的“神经签名”（neural signature），它定义了生活中任何给定时刻的身体图像或图式。他认为这种内部大脑表征已经超出了彭菲尔德在运动和躯体感觉皮层中所提出的“小矮人图”的范围。它赋予我们对自己身体的外形及边界的感觉，并建立起我们对自我感的定义。根据梅尔扎克的观点，即使某个身体部分被切除后，大脑的身体图像与边界仍会继续保持，由此产生了反常但栩栩如生的幻肢感觉。

梅尔扎克认为，神经矩阵的基本结构可能在人出生时已经存在了，遗传指令决定了它的原型。正如梅尔扎克在1997年所报告的，这种先天的网络可以解释为什么至少20%的天生没有胳膊或腿的孩子，以及50%很小的时候就被截肢的孩子，会出现幻肢现象。这些引人注目的发现表明，人类的大脑能够产生明确的主观自我模型，即使没有来源于有形身体的躯体感觉信号。

我们的实验显示，在一小块皮肤上局部注射麻醉剂，以阻断神经活动，便能立即引发功能重组过程（这样做可以更容易、损伤更小地模拟手指截肢所诱发出的效应）。这种重组过程发生在诸如丘脑这样的皮层下结构中。

在20世纪90年代初，拉玛钱德朗和同事利用脑磁图描记术（MEG），即测量大脑中电活动所产生的磁场的技术，展示了发送到病人面部的触觉刺激激活了皮层身体地图中被认为是手部的区域。正如拉玛钱德朗在他富有启发性的著作《寻找脑中幻影》（Phantoms in the Brain）中所解释的，当他触碰被截肢病人面部的某个点时，病人立即说他们幻觉中存在的手会有感觉。另外，拉玛钱德朗的团队发现，面部特定点上的触觉刺激会引起幻觉中手上特定点的感觉。两个部位上所感受到的感觉类型，比如热、冷、摩擦或按摩，都是相同的。这些病人的大脑将他们真实存在的脸与虚幻的手联系了起来。1995年，德国海德堡大学的神经学家赫塔·福罗（Herta Flor）与同事采用MEG检测了13名被截肢者的皮层重组程度。由此，成人大脑可塑性与幻肢痛之间的联系得到了证实。皮层功能重组的数量与幻肢痛的程度存在很强的相关关系。

这两大理论支柱分别是：第一，成人大脑的身体地图是可塑的；第二，是大脑的内部运作，而不是来自周围神经系统的前馈触觉信号流，塑造并保持了身体认同感以及身体的独特感

从这些病人身上得到的临床证据强调，身体意象是我们精心装扮的个性以及心理独特性的坚不可摧的庇护所。它是大脑回路集体电活动的动态副产品，目的是对我们皮肤所组成的身体边界之内、之上以及之外发生的事件保持适应和敏感。就像任何良好而明智的现实塑造者一样，大脑赋予我们有关自我、模拟的身体的物质实例，并让我们觉得它真实而具体。

从20多年的实验研究中，我们可以得出这样的结论，那就是：大脑通过高度适应、多模式的过程创造了拥有身体的感觉。这种过程能够通过对视觉反馈、触觉反馈以及体位感觉反馈的直接操纵，在几秒钟的时间里，诱导我们接受另一个全新的身体，并以此作为我们意识存在的家园。

看起来，这个计划的每一步似乎都几近疯狂，不可能实现。例如，查宾不打算采用神经生理学家们使用了近50年的坚硬的金属微电极，而提出要利用新型的记录传感器。那是一个陈列或线束，包含8根或16根像头发一样、具有柔韧性的不锈钢微传线。为了绝缘，每根微传线，除了线的顶端，都会被包上薄薄一层聚四氟乙烯。当把它植入大脑后，查宾相信这套设施能让我们同时监控十几个神经元，既可以监控处于麻醉中的老鼠，也可以监控自由活动的老鼠。为了实现这一壮举，微传线阵列或线束必须被植入特定的大脑结构中，比如老鼠的躯体感觉皮层。这是一个要求非常高的神经外科操作，且与当时的常规做法相反，整个记录设备会被长期植入动物的大脑中。

威斯伯格发现，如果使用一种相对简单的算法，也就是统计学家所说的多元线性回归、工程师所说的维纳滤波器，来线性地汇总皮层神经元同时产生的电活动，他便能准确地预测贝拉手的位置。这个算法能够识别出权衡每个神经元电活动贡献大小的最佳方法，然后汇总这些加权贡献，产生连续的运动输出信号。这些信号被用于在机械装置上重新构建贝拉手腕的运动轨迹（见图6-2）。这比查宾的人工计算大大前进了一步。

尽管当时没有什么人注意到，奥罗拉在这些经典实验中的勇敢尝试创造了观点、梦想以及目标的会聚。而之前它们曾潜行在被主流神经学所忽视的、边缘的走廊里长达近200年。在完全接纳托马斯·杨的分布编码观点后，卡尔·拉什利和唐纳德·赫布的区域等位性以及细胞集群的概念，约翰·里利对同时看到或听到尽可能多的神经元放电的着迷，艾伯哈德·菲尔兹对反馈的使用，爱德华·施密特对神经义肢器官的梦想以及奥罗拉的实验都显示：有关自我的模型是有可能被重新定义的。

一般来说，对行走的神经元机制感兴趣的神经生理学家会将研究的重点主要放在皮层下的神经元池。这些区域会表现出某种有节奏的放电，即所谓的中枢模式发生器（central pattern generator），它与产生四肢行走的步态循环有关。大多数这类研究是用猫来做实验，并发现了脊髓与脑干中的中枢模式发生器。脊髓中存在着中枢模式发生器似乎解释了为什么将猫的脊髓与它的大脑其余部分断开后，它依然能保持四肢行走的步态模式。把被切断脊髓的猫放到正在动着的跑步机上，它依然能跟着行走。而在灵长类的进化中，大多数中枢模式发生器已经移到了大脑里，这就是为什么脊髓受伤或病变会导致受损部位以下的肌肉组织瘫痪。即使身体其余部分被悬吊起来，存在这类损伤的病人也无法跟上跑步机的步速。

身体图式大脑对触觉信息所主动产生的观点，是一种表示我的身体在世界上存在的方式。

后一个错误之所以会发生，是因为通过使用和同化长棍，病人的大脑以某种方式将远处的左侧空间转化为了近处的左侧空间，在这个区域里，病人的空间忽视会完全显露出来。

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。

他请我解释他发现的一个令人烦恼的悖论。大自然为什么在我们的成长早期投入这么多精力来构建这些高度分离的感觉通路（更不用说非常有条理的皮层地形图了），然后，它却决定放弃这些成果，采用我所说的相对性大脑的假设？我的答复是，经过25年对大脑风暴的观察、聆听和记录，我只能说，皮层的放电活动似乎不只局限于或不在意传统细胞结构学所建议的边界。相反，它们越过边界，就好像那些边界只是某些人大脑幻想出来的东西。

支持相对性大脑的主张认为，灵长类的中枢神经系统，特别是人类的思维，无法被精简为某种类型的经典计算算法。换句话说，人类大脑作为一个整体，是不可计算的。正如巴罗所指出的，没有任何等式能够算出诸如美丽、快乐、优美的诗歌这样的事物。我只是从无限的清单中列举出了三个例子。然而，即使我主张相对性大脑是无法计算的整体，但哥德尔的不完全定理也许能让我们计算神经元放电所产生的智慧足以让人造设备进入人类的范畴。不过，要让这一切发生，这种设备就必须放弃自己，成为定义人类独特自我的大脑模式的一部分。

不过，在探讨我对未来的设想之前，我想先消除有关智能机器将模拟、超越并主宰人类头脑的许多担忧。尽管我不怀疑某一天会出现非常复杂的机器智能形式，而任何创造这类机器的人都将面对难以逾越的障碍，即任何计算程序都不可能在个人或进化的时间标尺上，捕捉到历史偶然性的准确时间序列，而这些偶然性共同创造出人类的大脑。在史蒂芬·古尔德突破性的著作《奇妙的生命》（Wonderful Life）中，通过提出他命名为“重新播放生活录像带”的思维实验，古尔德巧妙地指出了这种主张的偏见。在他看来，无论人们能支配多少亿的微处理器、浮点运算以及多少兆的字节，或者多少百万的人造核苷酸，如果创造人工智能的主要目的是建成一个与我们自己的头脑相类似的头脑，那么这种巨大的努力终将遭到悲惨的失败。以下是展现古尔德思维的实验方法：按下倒带键，确定你把实际发生的事情已经彻底抹掉了，然后回到过去任何一个时间或地点。然后让录像带再转一遍，看一看副本跟最初的版本是否完全一样。如果每一段重放都与实际的生活路径非常相似，那么我们只能说，真实发生的事情几乎必然会发生。但是，假设实验得出的结果与实际的生活历程明显不同，那我们的结论会是什么？对于有自我意识的智能的可预测性我们能说点什么？接下来，古尔德为这个实验最可能的结果提供了他最喜欢的预测：生活录像带的重放将把进化引入一条与实际路径完全不同的道路。然而，不同的结果并不表示进化是愚蠢的、没有意义的模式。重放时出现的岔路就像实际路径一样，是可以事后进行解释的。不过，可能路线的多样性并不表明在一开始就能预测最终的结果。每一步都事出有因，但在开始时，结局是无法确定的……改变早期的任何事件，即使是非常轻微的改变，在当时看来或许并不重要，之后的进化都会将它逐步带入完全不同的轨道。

不过我认为，这类事件发生的可能性，远比大量灾难造成人类最终灭亡的可能性低得多。环境破坏、传染病、饥荒、核战争、气候改变、缺少淡水、流星碰撞、臭氧层的耗尽，甚至外星人入侵显然都比机器可能发动的军事政变更有可能导致人类的覆灭。假设播放“生活录像带”会带给我们这种可怕的命运，那么在这个非常不可能的大变动事件中，我们至少可以确信，正如约翰·巴罗所断言的那样，源于硅元素的征服者永远也无法理解以下人类句子的不朽意义：恐惧，阿喀琉斯，上天的愤怒；思量一下你自己的父亲，并给予我同情，我更值得可怜，因为我让自己变得冷酷无情，而我之前没有任何人曾让自己变得冷酷无情，并把杀我儿子的人的手举到了我的唇边。普里阿摩斯（Priams）说，当他让阿喀琉斯思量自己的父亲时，阿喀琉斯的心中充满了怜悯。

出乎意料的是，我们发现了一种非常简单、侵入性最小且廉价的过程——脊髓刺激，它有可能成为治疗帕金森病的新选择。全世界正在狂热地进行类似的研究，希望开发一种能够与活的脑组织进行联系的神经假肢器官，从而治疗诸如癫痫、抑郁等严重的神经疾病，以及帮助人类恢复视力、听力及语言功能。