Neuralink和Elon Musk 的“超級大腦夢”

上個月，我接到了一通電話。


左：你是伊隆啊…；右：我要為大腦建造一個“魔法帽”

好吧，這也許不是當時的確切的場景和馬斯克的原話。不過在深入了解他的新公司之後，我覺得這就是伊隆•馬斯克正在努力實現的事情。

早前，我在寫關於 特斯拉和Space X的文章時領悟到，我們要從兩個不同的層面去考慮這些看似“瘋狂”的計劃。一是，工程師們正面臨著的技術挑戰；二是，我們人類生活中存在的生存危機——這兩個問題關係著我們的當下以及未來。

當然，馬斯克的新公司Neuralink 也是如此。不過，經過六週的了解之後，我覺得這個新計劃比特斯拉和Space X 正在做的都要“瘋狂”。這兩家公司的目標是給予人類一個全新的生活方式，而Neuralink 正在做的卻是重新定義人類。

Neuralink 這個與我們迷之大腦有密切關聯的計劃，雖然聽起來像天方夜譚，但不可否認的是，當它真正出現在我們面前，當我們按下“開始”按鈕的時候，我們將會為之驚嘆。而現在我要做的是，帶大家坐上時光機，和大家一起暢想“未來的人類”。不過，他們可能比你想像中的要神奇更多。

但是這段旅行開始之前，我們要先把時間倒退回到生命起源之初——這樣才能更好地理解馬斯克的“魔法帽”到底是什麼東東。

好了，現在大家穿上舒服的衣服、拋開雜念，跟著我跳進時間的漩渦，一起來了解“魔法帽”的前世今生吧。

系列一：人類巨人

公元前6 億年，大家就這麼呆著。


公元前6 億年的海綿動物


…………

那時候的生物沒有任何神經，不能動、不能思考、不能處理外界信息，反正就靜靜地呆著，等待著死亡的來臨。

直到後來，水母出現了。


公元5.8 億年前的水母

水母是第一個意識到自己有神經的生物，而且他們擁有的 脈絡狀神經網是世界上出現的第一個神經系統 。




哎呀


痛死我了，快告訴大家




左：我覺得應該沒那麼痛吧；右：不，今天很痛

水母的神經網絡可以蒐集周圍環境的重要信息，比如前面那是什麼、捕食者有沒有在附近、哪裡有食物等等。接收完畢後，這些信息會通過水母體內的大型電話線路傳遞至全身上下。而能夠接收和處理外界信息就意味著，水母可以隨環境變化做出適應性反應，而不是在大海裡漫無目的地遊蕩，期待著“美好世界”的到來。

又過了不久，一種比水母更酷的動物出現了。


公元前5.5 億年的扁形蟲

比起水母，扁形蟲可以做的事情就更多了，因為它們神經網絡裡有 一個能夠操控所有的指揮員——“神經系統大Boss”。這個Boss位於扁形蟲的頭部，所有的神經線都要向它匯報信息接收情況。因此與使用神經脈絡網傳遞信息的生物不同，扁形蟲神經系統的信息會匯集到頭部，由大Boss負責接收、處理信息及向下級神經網絡下達命令。


好，現在來說一下今天的任務。待會兒，Bill 告訴Jason 把嘴巴打開，找找有沒有食物。然後其他人負責擺動身體。


“下屬”：Greg 讓我問問你，可以換一種前進方式嗎？；“Boss”：不行，我們只是一條蟲，還能咋動

扁形蟲的 “神經系統大Boss”是最早出現的中央神經系統 ，也是世界上第一個真正意義上的大腦。

從此之後，地球上出現了成千上萬種擁有大腦的生物。

隨著時間的推移以及生物的進化，這位大Boss 也變得越來越忙活。

Lm

公元前2.65 億年的青蛙


嗯….. 我要有心跳、能夠呼吸、可以鳴叫……. 別忘了，如果看見鱷魚一定告訴我，不然就沒命了


左：但是2.28 億年後才有鱷魚出現啊；右：哦，那就沒事了…

然後過了不久，哺乳動物就出現了。這對動物界來說可是一件大事，它預示著複雜生命形態的到來。我們都知道，心臟的跳動、肺部的呼吸等等都需要大腦來指揮。不過，除了這些生存技能之外，哺乳動物還會產生一些複雜的心理感受，比如愛、生氣和恐懼。

與爬行動物和一些簡單生物的大腦不同，哺乳動物的大腦要處理……反正就是很多。所以 第二位大Boss也應運而生，它們叫 邊緣系統（如杏仁核、海馬體等），輔助大腦共同處理複雜的信息 。


公元前2.25 億年的囓齒動物


右：額，兄弟。我不想再和Jim做朋友了，他在背後耍陰招，我不喜歡。 不過，最近我覺得Tammy挺好的，我們帶著球去找他吧。

在接下來的一億多年裡，哺乳動物的構造、活動等等都變得越來越複雜。不過突然有一天，兩個大Boss 發現，原來它們又有了新成員。


公元前8 千萬年的樹棲哺乳動物


這位 新房客就是大腦新皮質 ，它剛來的時候就像新生嬰兒一樣什麼都不懂，只是在那兒躺著。而後隨著物種的進化——從靈長類動物到人猿，再到早期的人類。這個新來的Boss逐漸從嬰兒長大成人，有了自己的想法，知道應該如何運行起來了。


公元前4 百萬年的原始人類


右：嘿，指甲蓋說太痛了，我們還要開椰子殼嗎？左：當然要啊，繼續努力！


我覺得我們可以用旁邊鋒利的石頭來敲椰子殼，不要再摧殘自己的指甲了。

這位新Boss 的想法真的很有用。而且也正是因為它的幫助，原始人類才學會瞭如何製造工具、狩獵，以及相互合作。

在接下來的幾百萬年裡，新Boss 日漸聰明，而且想法也變得越來越新穎。它學會了製造衣服、知道如何生火，還懂得怎麼用石頭制矛……



但是，它最最酷的還不是這些，而是能夠思考 。它把我們每個人的頭都變成只屬於自己的小世界，讓人類變成世界上第一個可以進行複雜思維過程、邏輯推理，以及製定長遠計劃的動物。

然後，大約在10 萬年之後，它完成了一個大的突破。


嗯……我真的很想要那個尖銳的灰色東西，但是它們離我太遠了。 如果我可以讓Bob知道我需要它們，那就方便多了。




嘿，兄弟，我有一個好辦法。下次見到Bob 的時候，記得提醒我一下，我試試。






















Oh，我需要那個灰色的東西，但是它在Bob 的山坡上。咋辦呢，咦，等等……















這個時候人類的大腦已經進步到可以理解的程度，儘管“岩石”（Rock）的讀音本身和岩石並沒有多大聯繫，但是人類可以用這種聲音作為岩石的符號—— 早期人類就是這樣發明語言的 。

不久之後，代表各類物品的詞語也隨即出現。而到了公元前5 萬年時，人類已經可以開始用完整、複雜的話語進行交流。

新皮質把人類變成了“魔法師”。它不僅能讓我們的頭腦成為一個充滿奇思妙想的“海洋”，還可以創造和理解語言——人類能夠把不同的想法轉換成特定的聲音符號，通過空氣振動傳遞到別人頭腦內部，經過解碼後，它們便會被儲存在對方腦海裡。其實，新皮層一直都在思考，不過直到語言的出現，人類才得以把自己的想法與別人分享。

言下之意，人類可以和其他人分享自己過去的故事、有趣的想法，或者是共同討論問題、計劃未來……

不過，最有意義的還是分享他們的所學知識 。比如一個人通過自身經歷了解到，吃了某種漿果之後人會在48小時內出現持續腹瀉。如果他能夠通過語言向部落裡的成員分享這些經歷，並讓他們代代相傳。那麼，一個“遠離那種漿果”的常識也會逐漸形成。即使時間和空間不斷推移及變遷，這種說法亦能被保存下來，用以告誡人們不要犯與前人相同的錯誤。

另外，同樣的事情還會發生在我們想到新點子的時候。以前，有一個非常聰明的獵人發現，角馬群的年遷移模式與星座有著密切聯繫[1]，為此他總結出了一套可以通過觀星來確定角馬遷徙回歸天數的方法。雖然後來很少有獵人能夠自己悟出這套方法，不過得益於這位祖先的研究，現在的獵人仍可以利用這種方法來進行遷徙時間的預測。

這種預測所能帶來的是狩獵效率的提高。當角馬群還沒回遷時，部落成員們就可以專注於研製新型打獵武器。得益於此，幾個世紀後一位同樣聰明的獵人發明了一種更輕便、穿刺效果更強且更易拋擲使用的矛。自此之後，部落裡的獵人就擁有了更高效的捕獵工具。

語言讓聰明的人能夠充分發揮出自身潛能 。通過幾代人的積累之後，這些知識集中在各個部落裡，成為了下一代人頓悟時刻的最好“提示”。而且有了祖先們積累下來的知識作為起點，各個部落的“知識塔”不斷擴大，部落的成員也變得日漸聰明。下面我們來看看，語言出現前後的不同之處：





導致上圖這種上升軌蹟的主要原因有兩個。一是，通過交流、筆記以及個人學習，人們能夠獲得更多知識（這也是為什麼第二幅圖中藍色柱狀較長和高的原因之一）。二是，知識的不斷積累，讓每一代人都能比上一輩更進一步。

這種知識儲備及共享，就像是一場盛大的、集體代際大合作。正因如此，數百年後人類發明了一個複雜的種植方法——排狀灌木種植法，並培育出一年能收成一次的可食用漿果。而獵人們則從以往的預測角馬群遷徙時間逐漸演變成直接馴化及圈養角馬。另外，當時“風靡”的長矛也在數百次的改進、調整中，逐漸變成了弓箭。

可見，語言讓人類群體產生了可超越個人智慧的集體智慧，而且每個人都能從中獲益。我們都知道弓箭是原始工具，不過在沒有任何知識基礎作為參照的情況下，即使是愛因斯坦，你把他拉到森林裡，讓他製造出最好的狩獵設備，他也未必能夠發明出弓箭——因為這是人類集體努力才換來的。

除此之外，溝通交流還能形成複雜的人類社會結構。隨著農業、動物馴化等先進技術的不斷發展，一些部落已經不再頻繁遷移，開始永久定居，並逐漸形成一些有組織的超級部落了。在這種情況下，各個部落的知識庫將會整合在一起形成一個更加龐大的“共享知識塔”。通過相互合作，人類的生活質量不斷提高。到了公元前1萬年左右，世界上第一個城市便順理成章地誕生。

根據維基百科的介紹，有一種名為梅特卡夫定律的定義。他指的是，“網絡的價值隨著用戶數量平方數的增加而增加”。如下圖【1】：



這種定律在人身上也同樣適用。兩個人可以產生一組對話；三個人中則能產生四組獨立對話（三個不同的雙人組，及一個三人組）。照這樣計算，五個人就能產生二十六組對話，如果是二十人的話，那就會有1,048,555 個可能。

所以 身處城市的人類不僅可以從集體智慧“知識塔”中受益，還可以在社會交往中碰撞出新的火花 。按照梅特卡夫定律的說法，交流的增多將會帶來前所未有的多樣性，這些多樣性意味著思維的不斷碰撞，並且有利於創新想法的出現。

因此很快地，人類便能夠掌握農業技巧。這讓不少人產生了各種各樣的新想法，不久之後，他們終於找到了一個新“搞作”——寫作。

歷史學家們認為，人類第一次寫作應該發生在5 千到6 千年前。在那之前，我們集體智慧的“知識塔”只保存在人類的記憶網絡中，通過口耳相傳。不過，當部落、族群變得越來越大型的時候，我們人腦的記憶力將難以裝下日漸龐大的“知識塔”，所以大部分內容會丟失掉。

如果說，語言可以讓人們把思想從一個大腦傳遞到另一個大腦中；那麼寫作就是把思維固定在一個物理對像上，比如永遠都在那呆著的石頭。而當人類開始用薄薄的羊皮紙和紙張來寫作時，平時需要用幾週才能完成口耳傳播的知識內容，現在可以壓縮成一本書，或者是一卷能握在手中的捲軸。而目前，人類的集體智慧“知識塔”正以物理形態保存在城市圖書館和大學的書架上。

這些擺著架子上的書籍成為了人類完成偉大使命的“指南”。它們將人類引向新的發現和新的發明構想，而這些新想法未來或許會成為書架上的又一本新書。這些指南教會了我們什麼是貿易、貨幣，怎麼樣造船，建築學是什麼，醫學和天文學到底有多複雜。由於書本與知識地不斷增多，每一代人的技術和知識起點總比上一代人要高，進步也更快。

這些新的信息儲存、組織、處理器被證明是有用的。從那時起，計算機開始在政府部門及公司的日常運作中扮演起重要角色。而到了80 年代後期，個人電腦也變得越來越普遍。

幾年之後，又來了一次飛躍。

在90年代初時，我們教會了數百萬台孤立的“電子大腦”如何互相溝通，並用它們組件成了全球第一個計算機網絡。從此 一個新的巨人誕生了——計算機巨人 。



計算機巨人和它那強大的網絡就像是可以給予人類巨人力量的大力水手菠菜一樣。

如果說我們的大腦是人類巨人的神經和肌肉纖維，那麼互聯網就是它的第一個神經系統。這個神經系統的每個節點能同時與其他節點相連，然後信息以光速在系統中“穿梭”。有了互聯網，人類巨人將能成為一個思維更敏捷的暢想家。

互聯網為數十億人類提供了一個即時、自由、易於搜索及訪問整個人類“知識塔”（現在已經延伸到到月球上啦）的途徑。這使得人類巨人能夠成為一個更加聰明、效率更高的學習者。

如果電腦是人類、公司，或者是政府大腦的延伸，那麼就可以說 計算機巨人是人類巨人大腦的延伸 。



憑藉著第一個真正意義上的“神經系統”、一個升級過的大腦和強大的新工具，人類巨人發明了全新水平的計算機。這一階段，它將工作的重點放在了推進計算機技術之上。

它弄清楚瞭如何使計算機變得更快、更便宜；它讓互聯網變得更快而且實現了無線連接；它把計算機的芯片越縮越小，小到可以把計算機裝進口袋裡。

每一次的革新就像是給人類巨人注入一卡車的菠菜一樣。

不過，如今人類巨人的眼中有一個比幾卡車菠菜更大、更瘋狂的想法。計算機的發展確實改變了很多東西，它幫人類大腦完成了不少任務，而且計算機某些單項技能比我們做得多好。但是，有一樣東西計算機從未涉足，那就是——像人類一樣思考。

電腦可以運算、組織和運行複雜的軟件，甚至能夠自己學習。但是它目前還未能以人類的方式思考。人類巨人知道，現階段它們為計算機巨人建立的一切關於創造性、獨立性的技能，都是為了讓計算機巨人變成一個能夠有自主思考能力的機器。不過，我們並不知道如果有一天計算機巨人真的會思考了，它睜開眼變成了一個超級巨人的時候，那將會是什麼樣子？但是朝著創造價值以及突破技術限制這些目標，人類巨人還是決定要自己找出答案。

稍後我們會再詳細談談這個話題。現在，我們先來看看別的東西。

正如我們在之前討論過的，知識的獲取和保持機制就像樹木一樣。如果在學習一個新的知識領域分支之前，在大腦中沒有預先儲存好穩固的“樹幹”——基礎知識，那麼這樣的學習是不可能會成功的。這是因為新知識無法以舊知識作為依托成為大腦的一部分，因此很容易從我們的大腦中消失。

之前我們已經說過，Elon Musk 想做的，是給大腦設計一個“神奇帽子”，而弄清楚他這樣做背後的原因，是我們最終了解Neuralink 的關鍵，從而我們才能明白，人類的未來最終會是什麼樣子。

但是如果我們不了解這樣的“神奇帽子”究竟是什麼東西的話，我們不可能對其產生任何理解，當然也不可能明白戴上這樣的一個帽子會是什麼樣子，它將會對人類的未來帶來什麼樣的改變。

要將這個問題的討論進行下去，首先我們需要知道腦機接口是什麼東西，它的運作方式，以及這項技術在當代的應用。

最後一點，BMIs 本身只是一個比較大的分支，而並不是作為樹幹存在的。為了更徹底地了解BMIs 以及它們的工作方式，我們需要首先理解自己的大腦。認識大腦的工作方式才是這裡的“樹幹”。



所以我們將會從大腦出發，幫助我們更好地建立對BMIs 的理解，進而讓我們更好地明白要打造這樣一款“神奇帽子”需要哪些東西，建立起基於這樣一款設備的未來討論— —這將使我們正確認識到Elon Musk 打造這款帽子背後的原因。如果按照這樣的思路進行下去，在我們進入到最後的討論之前，所有的點就應該會自然而然地連接起來，到達最終的徹底理解了。

Part 2：大腦



撰寫這篇博文對於我自己而言也是一個非常好的“自我催眠”，讓自己知道為什麼我喜歡與這些可愛又好看的大腦們一起工作：



因為真實環境下的大腦是和“可愛”絲毫搭不上邊的，它們看起來非常噁心，每每人們的目光接觸到它們，就會想嘔。

即便如此，在過去的一個月裡，我的生活一直是和谷歌圖庫中一大片充滿血管的血腥大腦一起度過的，所以現在你也要學會應對這樣的場景。不用怕，抱緊我。

現在讓我們從最外層的部分開始。在我看來，生物學有些時候是非常讓人滿意的，人類的大腦中也有很多有趣的事情在不斷上演。在這其中，首先就是像俄羅斯套娃一樣的情形。

首先是你的頭髮，接下來是你的頭皮，然後是你的頭蓋骨……你一定是這麼想的。不過，真實的情況要復雜得多。在達到你的頭蓋骨之前，起碼有19 層結構。



而在你的頭蓋骨之下，還要再穿過另外6 層結構，你才能最終到達你的大腦。



在頭蓋骨與大腦之間，有三層膜存在：

最外層的是硬腦膜，一個堅固又耐用的防水層。硬腦膜是一個與頭蓋骨齊平的結構。我曾經聽人說過，人類的大腦中沒有任何疼痛的感覺區域，但實際上硬腦膜上就有——它和你臉上的皮膚一樣地敏感，對硬腦膜施加的壓力常常會導致頭疼的症狀。

硬腦膜之下是蛛形綱，這就是一層皮膚，以及佈滿這些彈性纖維的開放空間。一直以來，我都認為大腦是一種可以在頭顱中自由移動的物質，然而實際上，大腦外側以及頭骨內壁之間唯一真正存在的空隙就是這些蛛網膜。這一結構的纖維能夠是大腦固定在合適的位置，從而防止大腦過多地移動。並且當遇到人類頭部碰撞到某些物體的狀況時，這一結構的作用就像“減震器”一樣。這片區域被脊髓液所填充，因為這種液體的密度和水相當，因此能夠讓大腦保持一定的浮力。

最裡層就是軟腦膜了。這就像一層細膩的皮膚，與大腦外的其餘結構融合在一起。想像你以前看到過的大腦，是不是總會浮現佈滿血管的樣子？實際上它們並不存在於大腦的表面，而是嵌入在這些皮膚結構上的。

這是一個完整的概覽圖，這個大腦看起來就和一頭豬一樣：



在左邊你可以看到一層粉紅色的皮膚，然後是兩個頭皮層，過來是頭骨，硬腦膜，蛛網膜，而最右邊就是被覆蓋著的大腦了。

如果我們把這些結構都移除出去，那麼剩下的就是這樣一個看起來愚蠢無比的東西。



這個看起來外形非常詭異的結構是目前宇宙中已知的最複雜的物體。用神經工程師Tim Hanson 的話說，這一個重量為3 磅的結構是“信息最為密集、結構化以及自我組織形成的物質。”而且這其中的一切活動，在20 瓦的功率下就能運行，與一台非常強大的計算機在2400 萬瓦特下運行的狀況相當。

這也是MIT 的教授Polina Anikeeva 所描述的“可以用勺子舀出的軟布丁”。大腦外科醫生Ben Rapoport 則將其更加科學的描述為“硬度介於布丁和果凍之間的物質。”他解釋說，如果你把一個大腦放在桌子上的話，重力的作用會使它變形，使其看起來與原本的形狀相比更加扁平，就像水母在脫離水後的狀態一樣。很多人認為大腦不是這樣柔軟的，因為我們看到的都是它在處於浮力作用下的樣子。

但這就是人類大腦本來的樣子。當你在鏡子前，看著自己的身體，自己的臉，你會認為，這就是你。但事實是，這只是你掌握著控制權的一具軀體而已。而真正屬於你的，只有那個像啫喱一樣形狀詭異的大腦。無論你接受與否，這就是事實。

正是因為大腦的奇怪外形，所以你也不能責怪古人對其的貶低之詞。比如亞里士多德就曾經認為，大腦只是為了填充頭顱而出現的一種“毫無意義”的物質而已（他認為人類的心臟才是所有智慧的中心）。

最後人類終於發現了真相，不過人類目前所知的，也只能說是皮毛而已。

在Krishna Shenoy 教授看來，人類目前對於自己大腦的了解，就像我們在16 世紀早期對於世界輪廓的了解一樣，只有大致的輪廓，而在細節上還有待完善。

另一位教授Jeff Lichtman 的比喻更為直接。在他的課堂上，他曾經向學生提問，如果說對人類的完全了解是1 英里的路程，人類目前已經完成了其中的多少？在給出的答案中，有說四分之三英里的，有說一半的，還有的說四分之一的，等等等等——但是在他本人看來，人類真正完成的只有“大約3 英寸。”（1 英里=63360 英寸）



第三名教授，同時也是神經科學家的Moran Cerf 也和我分享了一個在神經科學界已經流傳久遠的說法，其中就很好地解釋了為什麼說人類要去掌握自己的大腦結構就有點像是“第二十二條軍規”一樣的悖論：“如果人類的大腦是那麼容易被剖析和了解的，那麼人類根本不具有可能的生理基礎去了解自己的大腦。”

或許隨著人類各種學科的建立發展，人類最終可以到達這樣一個了解的終點。現在，首先讓我們了解一下目前我們已知的部分，從最宏觀的部分開始。

遠距離觀察大腦

為了觀察大腦的主要結構，我們首先從大腦的半球截面開始說起。如下圖所示，我們的大腦看起來就是這個樣子的。



現在我們把大腦從頭顱中取出來，在去掉了左半球之後，我們可以更好地觀察到內部的結構。



神經學家Paul MacLean 做了一個簡單的圖示，其中描畫了我們在之前提到過的關於生物大腦的進化過程，從爬行動物的大腦開始，到哺乳動物，最後到人類，其中的三層結構都展示在了圖示之中。



如果把這個圖疊加到真實的大腦照片上，就是這個樣子。



下面我們就對各個部分進行逐個觀察。

腦幹以及小腦

這是人類大腦發展最為久遠的一個部分。



這就是上圖中支撐著青蛙大腦部分的橫截面。實際上，青蛙的整個大腦和人類大腦的低層部分非常類似。



當你明白了大腦中各個部分的功能，你就會知道為什麼說這部分是“進化最為久遠”的說法是完全說得通的——人類大腦中這部分執行的功能，在青蛙和蜥蜴當中同樣也存在。以下是其中的主要部分：

延髓



延髓的主要功能就是讓你活著。它所掌控的都是一些你平時不會意識到的事情：比如你的心臟跳動、呼吸、血壓，或者是當它感覺到你攝入了有毒食物的時候，讓你產生嘔吐的感覺。

腦橋



腦橋的作用範圍還挺寬，既做一點這個，又做一點那個。比如，在人類的吞嚥活動中，它有份參與；還有膀胱控制、面部表情、咀嚼、唾液分泌、眼淚以及肢體動作等等，都有它的身影。

中腦



和腦橋相比，中腦所掌控的人類活動範圍只能說是有過之而無不及。中腦的工作實際上都被其他的腦部區域所承擔了。具體來說，中腦可以對我們的視覺、聽力、運動控制、警覺反應、體溫控制以及其他一系列的活動產生作用，但是所有的這些活動實際上都已經有其他的腦部結構負主要責任了。當然在大腦這個集體中，中腦似乎也是不太受待見的一個部分。從下圖你就可以看到，在前腦、中腦、後腦三個部分當中，中腦似乎已經被孤立了出來，而前腦和後腦似乎已經忘了它的存在，又雙雙拋下它約會去了。



不過即便是這樣的腦橋和中腦，它們也不是毫無用處的。人類有意識的眼部運動就是依靠這兩個部分來實現控制的。所以現在如果你要轉動自己的眼球，那麼正是腦橋和中腦在執行你的指令。

小腦



小腦看起來就像是整個大腦的陰囊，它主要負責讓人類保持平衡和協調，以及整個人體的正常運動。

大腦邊緣系統

邊緣系統位於腦幹上方，這是人類之所以能夠保持理智的重要原因。



邊緣系統是一個求生系統。要掌握它的運行規則，你只要明白，所有狗能夠做到的事情，比如吃喝、交配、打鬥、躲藏、遇到危險時逃跑等行為和反應，都是由這部分腦結構來主導的。不管你自我感覺如何，當你在完成以上所說的這些行為時，你所進入的就是最原始的求生模式。

邊緣系統也是人類情緒之所以產生的原因。因為說到底，人類的所有情緒都是為了求生這個目的而產生的——只不過這是一種級別更高的求生機製而已，它可以讓動物形成複雜的社會結構。

在我發表過的其他博文當中，我曾經提到過各種有關動物的生存和社交活動，在其中我都有說到邊緣系統。每當你的大腦進行各種內部鬥爭時，你的邊緣系統有很大機率正在促使你做出一些在未來你會後悔不已的事情。

我非常肯定，學會對大腦邊緣系統的控制是一個人成熟度以及人類核心鬥爭的重要指標。這並不是說沒有了邊緣系統我們就會活的更好——正是它的存在，才讓我們成為人。而且，生命中很多樂趣都來自於情緒，以及對一些和動物同樣擁有的基本需求的滿足來獲得的。只不過邊緣系統從來沒有意識到你已經生活在一個文明化的社會了。因此，如果你過於放縱自己的邊緣系統，讓它來掌握控制權的話，那麼肯定很快你的生活就要完蛋了。

不管怎麼樣，現在讓我們更加深層地來研究一下它。邊緣系統之下還有很多的組成部分，我們將要看的是其中最重要的成員：

杏仁核



杏仁核就像是大腦結構中的“災難之源”。它負責處理人類所有焦慮、悲傷、以及各種由恐懼所產生的反應。杏仁核有兩個，而且很奇怪的是，左邊的杏仁核似乎要更加平衡，而且除了普通的恐懼情緒外，有時候還會產生一些快樂的感覺。相比之下，右邊的杏仁核則一直處於各種“懷情緒”當中。

海馬體



大腦中的海馬體就像是負責記憶的一張草稿紙。當小鼠在開始記憶迷宮的方向時，記憶就被印刻在海馬體上。在不同的迷宮方位上，小鼠大腦中被激活的海馬體部分也不一樣。但是，如果這些小鼠在學習了一個迷宮之後，去學習另一個新的迷宮的話，一年之後這些小鼠在回到第一個迷宮的時候關於它的記憶會完全消失。因為海馬體中的記憶已經幾乎全部消失了，因為新的記憶需要空間來容納。

電影《記憶碎片》中所描繪的場景——順行性遺忘，是可能真實發生的。而原因就是因為海馬體遭到破壞。阿茲罕默症的發生，雖然也有其他腦部結構變化所帶來的影響，但是最先就是在海馬體中開始出現的。所以這就是為什麼，這一症狀有很多的不良影響，但是最先開始的症狀就是記憶力的退化。

丘腦



丘腦位於整個大腦的中心位置，是負責將身體感官的感受信息傳輸到大腦皮層並進行處理的“中間人”。當你進入睡眠的時候，丘腦和你一樣處於睡眠狀態，因此負責將感官感受傳遞到大腦的“中間人”就下班了。這就是為什麼在進行深度睡眠的時候，聲音、燈管、觸碰等等都無法將人吵醒的原因。如果你想要吵醒一個處於深度睡眠的人，唯一的辦法就是採取更為激進的方式，直到將一個人的丘腦吵醒才有可能奏效。

不過其中唯一的例外就是嗅覺。嗅覺是不需要丘腦作為中間人來傳遞感官信息的。因此要喚醒一個昏迷過去的人，經常會採用讓Ta 聞鹽的方式。既然說到這裡，那就順便再提一下，嗅覺的作用是由嗅球來完成的，而且它還是人類所有感官當中歷史作為久遠的一種感官方式。和其他感官感受不同，嗅覺的處理位置在大腦邊緣系統的深處，和扁桃體以及海馬體共同起作用——所以嗅覺和記憶以及情緒有非常緊密的聯繫。

大腦皮層

終於，我們要開始談大腦皮層了。

作為整個大腦最重要的部分，我們仍然無法確定用哪個名字來稱呼它比較好。我們來看看：

這個東東的名字究竟是啥？

“大腦“經常被用來指代腦部上方外層的結構，但是理論上說，當我們採用這個稱呼的時候，我們還把大腦內部的結構也包括進去了。

“大腦皮層”在拉丁語中經常被用來指代器官的外表層，而不僅僅只是大腦的皮層而已。因此，分佈於小腦外部的皮層就被稱作是“小腦皮層”，而分佈在大腦外部的就是“大腦皮層”了。

“新皮層”這一說法和“大腦皮層”經常可以替換使用，但理論上說，和“大腦皮層”相比，“新皮層”更多是用來指代在高級的哺乳動物上發展出來的更處於外部的皮層，而其他的部分則被稱為“異生皮層”。

接下來在這篇博文當中，我們談到的將更多是“新皮層”，不過鑑於大家對“大腦皮層”這一說法更為熟知，為了簡便，我們會用“大腦皮層”來統一進行指代。

基本上來說，大腦皮層幾乎掌控著一切——你的所聞所見，你的所有感覺，還有所有的語言交流、肢體控制、思維活動、計劃和個性特徵等等，都是在大腦的處理下實現的。

大腦皮層還可以繼續分為4 個腦葉：額葉，頂葉，枕葉，顳葉



如果要描述它們各自的職責，答案或許會很難令人滿意，因為它們各自負責的工作範圍都非常廣，而且相互之前存在很多重疊的地方，不過簡單來說：

額葉主要掌控著我們的人格特徵，以及其他隸屬於“思維”範圍的部分，包括理性思維，計劃制定以及管理職能等等。更具體地說，這其中很多活動都是在額葉的前部完成的，這部分被稱為是額前葉，它就像是整個大腦的“成年人”。在額前葉區域進行的還有很多人類內心鬥爭的部分，還有在決策過程中所必不可少的理性思維。還有，當你內心有一個聲音告訴你，不必要過於在乎別人的眼光，只需要做好自己時，實際上這個聲音就來自於額前葉。正是因為有了額前葉，我們才能明白，不必要為生命中無數的小事浪費自己的時間。

額葉的作用還不止於此。除了上面提到的一些職能之外，它還掌管著人類軀體的運動。在額葉最頂端的條狀區域就是人類最主要的運動大腦皮層。



頂葉的作用則是控制我們的觸覺，特別是在其中的初級軀體感覺區域，它位於初級運動皮層區域的右邊。



運動及軀體感覺區域皮層的位置剛好是兩個親密的鄰居，而這樣的位置分佈實際上非常巧妙。神經科學家已經確切地知道其中哪一部分連接著你某一特定的身體部位，正因如此，當我們把這些人體器官疊加到大腦示意圖上的時候，就形成了下面這張詭異的圖片：



這張圖“homunculus”最開始是由神經外科醫生Wilder Penfield 創作的，主要是為了更好地展示這兩部分的分工。其中，如果某一器官的面積越大，就代表負責這一部位運動的大腦皮層越多。下面我們來談談這張圖中一些有趣的地方：

首先，人類用於處於面部雙手所需要的大腦活動要多於其他所有身體部分活動的總和。不過這也很容易理解——人類需要作出很多只有微小差別的面部運動來表達自己的情緒，雙手則需要非常敏捷地處理無數事物，而身體的其他部分，包括肩膀、膝蓋、後背等等，對於運動和感覺的反應則要遲鈍得多。這就是為什麼人們可以用手指來彈奏鋼琴，但不是使用他們的腳趾來做這件事。

其次，這兩部分的大腦皮層的作用也非常相似。我想這也是說得通的，雖然我從來沒有意識到，原來我們身上運動越靈敏的部位，對於觸覺的感受也要更加靈敏。

最後，我要給你們分享一張我看到的照片，自打我看到它的那天起我就無法忘記它——我猜你們也會這樣。下面請欣賞一個三維的大腦皮層人偶。

https://holland.pk/p92rstuk
我怕比人Bam

接下來——

顳葉是記憶活動的部分，它就位於人類耳朵附近，所以同時也是人類聽覺皮層所在的地方。

最後在整個大腦的後方就是枕葉了，它幾乎全部的功能就是進行視覺的處理。

很長時間以來，我都認為這些大腦皮層中的主要腦葉是大腦中一塊一塊的組成部分，就像是整個3D 模型結構中的一個一個零件一樣。但實際上，大腦皮層只佔據著整個大腦最外層的大約只有兩毫米的空間，厚度大約等於一枚硬幣。而在這之下，只是一些複雜的佈線罷了。

為什麼大腦充滿了褶皺？

就像我們曾經討論過的一樣，人類大腦的進化就是通過在大腦皮層部分的向外生長、神經連接增加以及在原有基礎上的連接改變而形成的。但是向外生長的機制也有其局限性，因為如果一直這樣下去，人類的頭估計就會變得越來越大……

所以人類的進化機制就開始尋找有沒有別的方式能夠更好地解決這個問題。因為大腦皮層非常薄，它的增長是隨著表面積的增大實現的——這就意味著它可以通過很多的褶皺和折疊來實現在有限空間內的生長，包括人類兩側大腦中間的分隔其實也是一樣的道理。當大腦在子宮裡發育的時候開始，它是光滑的，而褶皺的出現則要等到懷孕的最後兩個月。



如果你可以把大腦皮層拿出來展開的話，你就會發現這層只有兩毫米厚度的物質能夠延伸大約2000-2400 平方厘米的面積。就像是一張餐巾紙一樣。

這張餐巾紙就是你所有的大腦活動進行的地方。你的所有思維、動作、感受、記憶、語言能力等等，都在這其中進行。這是世界上最有用的餐巾紙。



還記得我在前面說過你的大腦就是一個啫喱球嗎？你可能覺得自己就是在鏡子中看到的那個樣子，實際上你之所以是你，不一樣的地方就在於你的大腦皮層，所以說，你實際上只是一張餐巾紙而已。

大腦皮層是“折疊”的這一概念，可以通過下圖更好地展現：

雖然這看起來似乎不是完美的解釋，但是現代科學給出的這種說法已經足以讓我們明白大腦的進化過程了。同時，我們也已經知道了在大腦中進行的各種微觀活動了，下面我們就來一起看看：

當大腦被放大

雖然我們已經知道了大腦是人類智力的源泉，但是直到最近，人類才開始明白大腦的微觀組成。科學家很早就知道人體是由細胞組成的，但是直到19 世紀晚期，來自意大利的醫生Camillo Golgi 才發現可以用染色法來觀察腦部細胞的活動，從而觀察到腦細胞的形態。而觀察的結果非常讓人震驚：

這不是料想中的一個細胞應有的樣子。Golgi 發現的，是人類的神經元。



於是科學家們很快就想到，這些神經元就是人類大腦進行溝通交流的主要部分，同時也是包括動物在內的神經系統運作的核心。

不過一直等到20 世紀50 年代，科學家們才真正弄明白神經元之間是怎麼進行通信的。

神經元中的樹突攜帶著信息，這是知道最近科學家們才能觀察到的現象。在20 世紀30 年代，英國的動物學家JZ Young 發現章魚或許會改變人類的認知。因為章魚的樹突非常巨大，因此更便於在實驗中進行利用。幾十年過去，通過這些巨大的章魚樹突，科學家Alan Hodgkin 及Andrew Huxley 發現了神經元之間進行通信的基本方式。

首先，神經元的形態多種多樣：



為了簡單起見，我們用最簡單、最普通的一款開始討論，這也是你在運動大腦皮層中所能觀察到的神經元形態。為了將神經元畫在紙上，我們從一個小人開始：



如果我們給他加多幾條腿，再加上一些頭髮，將他的手臂去掉，然後再把他拉伸一下，我們就得到了神經元的基本形態。



我們再複制幾個一樣的神經元。



我相信大家在初中的生物課上已經學過這些神經元細胞是如何進行信息傳遞和溝通的了，所以在這裡我就不再贅述其中的種種細節了。在這裡，我只想談談和我們這個題目有關的部分內容。

在上面我們所描畫出來的這個小人中，神經元中的樹突部分有一種惰性，這就是說，當這些神經元在處於休息狀態下的時候，它的電荷是負的。並且這些神經元之間的樹突是和周圍的神經元相互連接著的。想像一下，這些“神經小人”所攜帶的電荷會從腳部傳輸到它們的頭部，直到髮梢——神經遞體。根據所傳遞的化學物質不同，這些電荷的大小也會發生相應的改變。對於這些小人來說，這些改變可能會帶來一些不舒服的感覺，但是總體來說還好，所以在這種情況下，並不會有什麼改變發生。



但是如果碰上某一次機會，因為化學物質的變化，導致某一個神經小人接受的電荷超出了它的閾值，那麼這個神經元的“行為潛力”就會被激發出來，我們所看到的這個小人就好像受到了電擊一般。



這其中的結果只有兩種：要不然就是沒有任何改變發生，要不然它就會被受到完全電擊。中間的過渡狀態是不會出現的。

當這種情況發生的時候，這一陣電流（從原本的負電荷到正電荷，最後再恢復到正常的負電荷狀態）穿過它的身體，流動到它所接觸到的其他神經元的樹突上。而與這一神經元所接觸的其他樹突，也有可能會像它一樣遭受電擊的衝擊。



這就是神經系統中信息傳遞的方式。化學物質攜帶著信息，在樹突中間的微小空隙中流動，從而引起電擊產生的可能。但有些時候，如果身體需要加快信息的流動速度的時候，各個不同的神經元之間也有可能會實現樹突的直接相處接觸，信息的傳遞可以不依靠化學物質的產生來完成。

動作電位的速度通常在1 米/秒到100 米/秒之間。之所以相差那麼大，是因為在神經系統中還有另一種細胞——施萬細胞。這種細胞會圍繞著神經元建立起多圈的“脂肪保護層”——髓鞘。



除了保護和絕緣作用以外，髓鞘還是進行溝通和行動的主要因素。當神經元被髓鞘包圍著的時候，信息的傳遞速度會大大提高。



很典型的一個例子就是，當你想到自己的腳趾頭被扎到的時候，你的身體在當下會發生什麼樣的反應，甚至是在真實的生理感受產生之前，你就知道接下來會發生什麼事情。因此當你在感覺到被扎的同時，馬上就能感覺到痛感的出現，因為這種痛感的信息就是在被髓鞘包圍著的神經元中傳遞的。在這種劇烈的痛感發生之後，還會有一種出現時間比較晚的緩慢的痛感，後者的傳遞就不是在有髓鞘包圍的神經元中進行的，因此它的速度非常慢，只有1 米/秒。

神經網絡

神經元和電腦的信息傳輸有相似之處——它們對信息的傳遞都是在1 和0 兩種且僅有這兩種狀態下進行的。但是與計算機不同，大腦的神經元是不斷在改變的。

有時候當你學會了一項新技能，並且開始變得越來越熟悉的時候，你會發現第二天當你再次嘗試時，卻還是失敗了。這是因為你在高強度學習的時候，神經元之間負責傳遞信息的化學物質會變得更為聚集。因此重複的訓練可以不斷強化化學物質的產生，因此你就會隨著練習的增加表現不斷地提高。但是當第二天你再次開始進行聯繫的時候，神經元又恢復到了學習之前的狀態，因此你就失敗了。

但如果你持續進行練習的話，對技巧的熟悉程度就會變成一種長期維持的狀態。這是因為，你的練習和重複訓練會給大腦傳遞一種信息：我長期需要這種技能，而不只是一次用用而已。因此大腦的神經網絡就會進行響應，形成結構性的改變，從而形成長期的習慣。神經元之間的形狀和位置會發生改變，大腦中的各種專注點的也會發生轉化，為這種長期的習慣服務。

神經元這種可以依靠化學物質的變化來實現中心轉變的能力，是我們能夠適應外部環境變化的重要原因，這就是我們所說的“神經可塑性”。嬰兒的大腦實際上可塑性是最強的。當一個嬰兒來到這個世界上時，他們的大腦並不知道他們將要去適應的，是17 世紀還是當今信息爆炸的時代，但是無論如何，他們最終都可以學會去適應所生存的世界。

嬰兒是神經可塑性最強的群體，但是每個人的一生都不會喪失這種神經適應性。這就是為什麼人類總是可以不斷得成長和變化，以及學習新知識的原因。所以，人類可以形成新的習慣，忘掉舊的習慣——你的習慣其實就是你大腦中所有神經元迴路的反映。如果你想要改變自己現在的習慣，你需要花費很多的意志力去改變現有的神經迴路，但是如果你堅持的時間足夠長，你的大腦最終會明白你的目的，從而完成這些神經迴路的轉變。這些新習慣一旦形成，就不再需要投入很多的意志力去維持了。你的大腦已經將這些新習慣融入到了日常的腦迴路當中。

人類的大腦總計有大約1000 億個神經元，構成了我們這個龐大的神經網絡——這個數量和整個銀河系的星星一樣多，是全球總人口的10 倍。這其中有大約15-20 億個神經元分佈在大腦皮層當中，而剩餘的那些就位於和其他動物構造相同的大腦部分上。（令人驚訝的是，小腦上竟然具有比大腦皮層多三倍的神經元。）

讓我們轉換一下視角，從後面來看看我們的大腦，這樣我們就可以同時看到左右側大腦的情況了。



構成大腦的物質可以分為所謂的“灰質”和“白質”兩種。灰質的顏色看起來會比白質要深。的確，灰質的色調上也是偏深色的，它由神經元細胞的主體部分、樹突以及軸突再加上其他種種物質構成。白質的成分則主要是由軸突形成的複雜佈線，負責將信息從神經元細胞的主題傳輸到另一個神經元細胞，或者是身體的其他細胞上。白質之所​​以是白色的，是因為軸突處於髓鞘的包裹之下，而髓鞘本身就是一張白色的脂肪組織。

在人的大腦中，有兩個主要的灰質集中區域——我們在上面已經討論過的大腦邊緣系統和腦幹，以及包裹在整個大腦外部的大腦皮層區域。而中間的大塊白質則是由皮層神經元的軸突組成。大腦皮層就像是一個指揮中心，它利用大量的軸突將命令傳遞到下方的白質之中。

關於這個概念我所看到過的最生動和容易理解的圖示，是由Greg A. Dunn 博士及Brian Edwards 博士製作的。從下圖我們就可以看到大腦的外層與內層在結構上的明顯差異。





這些大腦皮層中的突觸可能會從其他的大腦皮層部位接收信息，並傳遞到大腦其他的低級部位上，或者是傳輸到脊髓-神經系統，進入到其他的身體部位之中。

讓我們來看看全身的神經系統分佈。



神經系統可以分為兩個部分：中樞神經系統——大腦和脊髓，以及周圍神經系統——從脊髓向外輻射到身體其餘部分的神經元。

神經元中的大部分類型都是用於與其他神經元進行溝通的中間神經元。當你在思考的時候，實際上就是一堆相互交織著的中間神經元在進行互相交談和信息傳遞。大部分的中間神經元都集中在腦部。

另外兩種類型的神經元就是感覺神經元和運動神經元，它們是大腦往下進入脊髓神經系統及周圍神經系統中的神經元。這類型的神經元長度可以到達一米。這就是其中主要幾種神經元的結構示意圖：



還記得我們上面已經說過的大腦中這兩個部位嗎？

實際上這就是我們的周圍神經系統起源的地方。感覺神經系統中的神經元軸突從軀體感覺皮層開始，到達大腦的白質區域，進入脊髓（大量的軸突）。從脊髓開始，再進入到身體的其他部位。所以，你皮膚上的每一個部分的信息處理都來源於軀體感覺皮層的神經元。實際上，一個神經就是一小撮包裹在一起的幾根軸突。如果近看的話，它們就長這樣：



所以所謂的神經，就是在紫色的圈圈當中的東西，而裡面的四個聚集起來的塊團狀東西就是一群一群的軸突。

所以，當一隻蒼蠅落在你的胳膊上時，這樣的事情就發生了：

蒼蠅觸動到你的皮膚，造成了對感覺神經的刺激。神經中的軸突已經具有一定的適應性，開始了動作電位，將信號發送到大腦，告訴大腦這裡有一隻蒼蠅。信號進入脊髓之後，便會一直向上傳遞到軀體感覺皮層。體感皮質就會告訴運動皮質，手臂上有一隻蒼蠅，是時候要做些什麼了。運動皮質中和身體特定肌肉相連的神經就會開始動作電位，將信號發送回脊髓，一直到達手臂的肌肉上。這些神經元末端的軸突會對手臂肌肉形成刺激，這樣你就可以扭動自己的胳膊，蒼蠅於是就飛走了。

之後杏仁核也開始行動了起來。它告訴你的運動皮質要跳起來了。如果落在你胳膊上的不是蒼蠅而是蜘蛛的話，還需要大叫兩聲。

看到這裡，你一定會覺得人類對自己的大腦已經相當地了解了，是吧？但如果真的是這樣的話，那為什麼說我們現在只完成了三英寸的路程？

因為，事情其實是這樣的。

對於現在社會的大部分人來說，我們完全了解互聯網這個寬泛的概念，也知道應該如何發送電子郵件，如何登陸網站，如何查看最新的趨勢等等，但是對於計算機內部發生的事情，了解的人就沒有那麼多了。

經濟學家可以告訴你社會中每一個消費者的功能，也可以告訴你宏觀經濟學中的一些主要主要概念及其作用等等，但是卻沒有人能真正告訴你整個經濟體是如何運作的，也無法預測到下個月或者明年的經濟狀況？

大腦現在的狀況就和這一有點類似。我們已經知道神經元如何發送信號，知道了大腦的結構，知道了大腦中大約有多少神經元，以及大腦對我們每個身體部位的控制，所需要的能量等等。但是，中間的東西，關於大腦每個部分的內部工作機制，我們卻還不是那麼了解。

是的，目前我們還不知道。

要想知道目前我們對自己的大腦有多不了解，只要聽聽神經科學家是如何給我們描述視覺皮層的工作就知道了。因為視覺皮層區域，已經是目前人類對於大腦所最為熟知的結構。

人類之所以能夠掌握對這部分的了解，是因為視覺皮層是更為容易描繪的部分。

研究科學家Paul Merolla 向我描述道：

視覺皮層具有非常好的剖析功能和結構。看著這部分大腦的感覺就和看世界地圖一樣。因此在觀察的時候，當人的眼睛接收到某些視覺刺激時，大腦皮層中代表這一空間區域的部分就會亮起來。隨著刺激的不斷變化，亮起來的區域也會不斷發生改變。這幾乎就像想現實世界映射到視覺皮層中的坐標一樣。從視網膜、丘腦到視覺皮層，這些實際映射都可以被觀察到。

說道這里或許你還是沒有什麼問題，但是他繼續解釋：

因此，如果想要和視覺皮層的某些部分進行交互，這種映射就是非常有用的。但是視覺區域非常多，隨著對視覺皮層的深入，這就變得越來越模糊，這種映射的表現形態就變得越來越模糊。大腦的活動非常複雜，從視覺皮層的活動就可以看出來。當我們在觀察這個世界的時候，或許我們看到的只是一個物理的3D 世界。比如當你看到一個杯子的時候，你看到的只是一個杯子。但是你的眼睛看到的實際上是一堆一堆的像素。而且當你再去觀察視覺皮層活動的時候，你會看到20 到40 種不同的活動狀況。比如有些部分負責對物體的邊緣、顏色進行追踪，而其他的部分則負責處理更加複雜的內容。在大腦皮層上的活動多種多樣，你​​都可以看到。而且更神奇的是，這些處理活動能夠很好地結合在一起，讓你以為當你看到一個東西的時候，只是簡單地看到這個東西而已。

負責運動處理的大腦皮層區域也是比較好理解的大腦部分之一了。但是和視覺皮層比較還是相對更難理解一點。即便現在我們已經知道運動皮層中的哪些區域是負責哪些身體部位的運動的，這些運動皮質區域中的個體神經元並不是先天形成的，而是隨著身體的特定工作方式創造出來的。Paul 說道：

每個人的大腦中負責手臂運動的神經都是不一樣的。這和我們使用語言說出某個詞所調動神經元的電傳輸方式不一樣。實際上，我們手臂的每種動作，寶庫向左、向右、向上、抓握等等，都是大腦的很多部分無縫配合完成的，雖然我們可能覺得這些只是非常簡單的動作而已，因此也不對對它進行過多的考慮。每個大腦都有自己獨特的代碼，用來和每個身體的肌肉進行交談。

另外，大腦所具有的神經可塑性也是造成大腦難以被理解的原因。每個人大腦運作方式都是都是基於其所塑造的結果，而大腦的塑造因素又是多種多樣的，包括每個人都不同的生活環境和經驗等等。

而且這還只是我們相對來說比較了解的兩個大腦區域而已。一位神經科學專家告訴我，“談到更複雜的大腦功能，比如語言、記憶、數學等等，我們真的不明白大腦的究竟是怎麼運作的。在每個人大腦的不同部位上，似乎很多時候根本沒有什麼確定的地形圖可以給我們參考。”

但是對於人類大腦的了解並不能成為阻擋我們建立有效的腦機接口的理由。實際上，BMI 在工程上挑戰的主要來源在於對大腦的實際應用，這也使BMI 的工程成為了全世界最難的工程設計之一。

現在，我們已經建立起了基本的大腦運作背景，下面我們將會開始進入第一個分支解說。

Part 3：腦機接口


樹幹（系列二：大腦）已經有了，下面我們來看樹枝吧

來，我們現在先回到公元前5 萬年，“綁架”個原始人回來。



Bok 你好啊，很感謝你和你的小伙伴們發明了語言。



你知道嗎，得益於你們的發明，我們創造出很多很棒的東西。為表謝意，我們想帶你去看看。


Bok：好啊，我也想看看你們發明了什麼

讓我來計劃計劃行程，我們要帶你坐飛機上天、乘潛水艇下海、到世界第一高樓哈利法塔去看看風景。然後，教你怎麼用望遠鏡觀天、給你看電視、玩手機，再上個網……

好，就這樣，一定會很有趣。Bok，你覺得呢？



Bok 可能被嚇到了。要不我們先向他展示一下，現代人是怎麼交流的吧。


日常寒暄ing……




怎麼樣？


沒事，我做好心理準備了。就像剛剛一樣，儘管向我展示你們的“炫酷”交流方法吧


額……沒了，我們平時就是這麼溝通的


啊？這和我們差不多啊

Bok 可能會很詫異，在語言的幫助下，我們發明出那麼多不可思議的東西，但是語言本身卻沒有多大變化。如今，我們交流時用的依然是五萬多年前的“技術”。

而且，無論周圍的環境怎麼變、天上地下有多少“奇妙”的機器在運作，我們的身體外形還是老樣子，與Bok 他們無異。怎麼會這樣呢？


現代人：這個問題我也不太清楚哦。不過，這part結束了，你快回去吧，我們還有“下場”呢。
Bok：但是……

事實上，這就是神經工程學分支——腦機界面為什麼會受人關注的原因之一。雖然我們已經用不斷推陳出新的技術多次革新世界；但是有一個技術領域卻時常讓科學家們“栽跟頭”，那就是涉及到我們人類最重要的組成成分——大腦的相關技術。

正因如此，我們現在仍經歷著這些，使用原始人（Bok 他們）發明的技術進行交流、採用比思考慢20 倍的速度來記錄句子（如打字），以及難以“搞定”腦科疾病等等。

但是數萬年後的今天，這些窘境可能要被打破了，人類下一個革新目標或許就是大腦。

雖然目前有很多不同種類、不同功能的腦機接口（BMI 或者BCI），但是它們所面臨的挑戰都一樣的：

1）如何從大腦中獲取正確的信息？
2）如何準確地將信息傳達給大腦？

第一個問題關注的是，怎樣從神經元間的“對話”中獲取大腦輸出信息。第二個問題考慮的則是，如何通過模擬或者控制神經刺激來向大腦傳遞信號。

實際上，這兩件事情時時刻刻都在我們的大腦裡“上演”。就像現在，你讀這句話的時候，眼睛會做特定的水平移動。實際上，這就是大腦神經元將信息輸出到特定“機器”（你的眼睛），然後其接受命令做出回應的過程。而當你的眼睛開始移動時，屏幕上的光子會進入視網膜並刺激你枕葉（大腦皮層的一部分）中的神經元，讓單詞的圖像進入你的眼睛，傳遞至大腦並刺激特定神經元。通過此過程，你將能處理圖像中的信息以及理解句子的含義。

輸入和輸出信息是大腦神經元的主要任務，同時也是所有BMI 領域入局者希望實現的目標。

乍一看，這似乎不是多麼困難的任務？大腦不就是一個球狀果凍嘛。而說到皮質，這個我們一直試圖記錄和刺激的區域則像一張大腦外側的餐巾紙。它裡麵包裹著約200 億個如軟性小晶體般的神經元，如果能夠弄清楚這些神經元之間的運作方式，我們對生物、健康等等將會有全新的認識。雖說神經元非常小，但是科學家們連原子都可以分離了，又怎麼會搞不懂比原子大十萬倍左右的神經元呢？原子只是一公里長的“神經元馬路”上的一顆小石頭而已，對吧？

那麼這些目標真的能實現嗎？

基於以上的事實，有人認為這個領域將會取得巨大的進步，我們是可以做到的。

但是當你真正了解大腦之後，你就會意識到，為什麼說大腦可能是世界上“最難解的題”。

所以在討論BMI 之前，我們需要仔細觀察一下大腦。我覺得深入了解大腦最好的方法是，把它放大1000 倍來看。

還記得我剛那個說的“皮質餐巾紙”嗎？



鋪平後的大腦皮質

如果我們把它放大1000 倍來看，那“餐巾紙”48cm 的邊長則相當於曼哈頓區六條街道（或者兩個街區）的長度，大概要花費25 分鐘才能繞完一圈。不過，大腦只有這兩個街區裡的麥迪遜廣場花園（MSG）那麼大（兩個街區的長度和寬度是MSG 的兩倍多）。



所以說，如果我們把它看做一個城市，我敢肯定，住在這裡面幾十萬人會理解這個比喻。

其實，我選擇把大腦放大1000 倍的原因是，讓我們更加形像地去了解大腦的尺寸。大腦一毫米的區域相當於一米的長度；而微米級的神經元，則被轉化為更易理解毫​​米級。另外，兩毫米厚的皮質，變成了兩米高“餐巾紙”。

現在，你可以走到曼哈頓29 街，這個巨型“皮質餐巾紙”的邊緣，看看兩米厚的內部到底有什麼以及在幹什麼？另外，我們可以分離出一立方米的巨型皮質進行分析，以此來揭示每立方毫米真實皮質的具體工作。



當我們打開這個立方體時，看到的可能是一團糟。所以我們要先把它清空，再將裡面的東西一件件放回去。

首先，我們將立方體內所有的神經元胞體放進去。

關於“神經元胞體大小”這一問題，我和神經科學家聊過。他們說皮質裡神經元胞體的直徑通常在10 到15 微米之間（微米等於1/100 毫米）。這意味著，7 到10 個神經元胞體橫向排列時，才有頭髮絲那麼寬。而在我們的模型裡面，這些胞體的直徑將提升至1 到1.5 厘米，像路邊的碎石那麼大。

大腦皮層的總體積大概是50 萬立方毫米左右，在這個空間裡面有約200 億個神經元胞體。也就是說，每立方毫米的大腦皮層裡含有4 萬個神經元。將其轉換成我們的模型就是，一立方米的盒子裡面裝有4 萬多顆碎石。如果我們把立方米盒子平均分成4 萬個小盒子，那麼每個盒子大約是3cm×3cm×3cm。這意味著，碎石與碎石間的距離大約為三厘米。

怎麼樣？你可以想像一立方米體積裡面漂浮著四萬多顆碎石是什麼場景嗎？

想不到的話，我們來看看下圖。這是科學家們排除其他“雜物”，使用顯微鏡拍攝下來的神經元胞體



好吧，這其實也沒什麼神奇的。不過，神經元胞體僅僅是神經元的一小部分而已。每一塊碎石都能發射出大量、曲折分岔的樹突，然後往不同方向伸展。按比例算的話，這些“線路”可達100 米（大腦皮層間的傳播）或者1000 米（向下延伸至脊髓或者身體）長。而且他們還很細，每條神經線路只有一毫米厚。因此乍看下去，大腦皮層裡面就像是堆滿了亂七八糟的“意大利電線”一樣。

不僅如此，每個神經元還可以同時與一千到一萬個左右的神經元連通。如果大腦皮質裡有200 億個神經元的話，那就會有超過20 萬億條神經通路（整個大腦裡的神經電線將多達千萬億條）。也就是說，我們的立方米盒子裡面有2000 萬以上的突觸。

更複雜的是，這四萬顆碎石不僅僅與自己立方體盒子裡面的碎石存在聯繫，其他盒子的神經電線也能與這個盒子的碎石形成連接，或者從裡面橫穿而過。所以說，要記錄大腦中信號的傳播途徑或者刺激特定的神經線路，就像是用肉眼在一大盤意大利面裡找出每條的頭、尾部一樣難（但願小腦裡的 浦肯野細胞不要摻和其中）。

當然，還要提一下的是神經可塑性這件事情。每一個神經元之間的傳遞電壓都不是固定的，每秒鐘可能會有數百次變化。消失、重現、強弱變化，這些將在數以千萬計的突觸間同時發生。

別著急，還沒說完呢。

除了上面說這些，大腦裡面還有另外一種細胞——神經膠質細胞。這種細胞在神經系統中扮演著許多不同的角色，如清掃多餘的神經遞質、形成軸突“保護膜”髓鞘、為大腦免疫系統效勞等等。下面，是一些常見的 神經膠質細胞：



那大腦皮層裡面到底有多少神經膠質細胞呢？和神經元細胞一樣多，所以說，立方米盒子裡還要再塞四萬個這樣的“怪胎”。

這次真的沒有了，最後把血管放進去就可以了。每立方毫米的皮質裡，都有一米多長的毛細血管。也就是說，我們還要把約一公里長的血管塞到立方米盒子中。



神經連接體

目前，美國國立衛生研究院正在開展一個頗具影響力的研究—— 人類連接項目，旨在創建一個完整、全面的“人腦地圖”。這項研究稱得上是，迄今為止規模最大的一次“ 大腦測繪 ”。

為了實現這些目標，研究人員將 大腦切成一片片厚度約為30納米的薄片。30納米是什麼概念——三十三萬分之一毫米。（戳我看小鼠大腦切片機）

不過，除了繪製白質中密布的“軸突線路圖”之外，



人類連接項目的科學家們還向我們呈現了小鼠大腦中其他組成成分的圖像。下面是其中的一部分（裡面都沒有血管）：



（在圖像中，E 是完整的大腦片段，FN 顯示的則是E 的單獨組件。）

記住了，立方米盒子裡面非常擁擠、複雜而且佈滿電線。現讓我們回歸現實，把目光重新放回大腦皮層裡的立方毫米盒子中。

對於BMI 工程師來說，他們不僅要弄明白這些神經元之間是怎麼交流的，還要知道如何激發神經元完成目標任務。我只能說，祝他們好運了！

實際上，即使把大腦放大1000 倍來看，這些仍舊是非常艱鉅的任務。雖然上面提到——大腦皮質就像是兩個街區大的餐巾紙，但是現實中餐巾紙並不是平舖的，它折折疊疊地縮在麥迪遜廣場花園（即大腦）頂部。如果只看表面的話，我們只能觀察到不到三分之一的餐巾紙，其餘大部分都藏匿在褶皺裡。

另外，就目前來看，BMI 技術的研究仍處於初級階段。第二章節中，我們說到大腦表面覆蓋著層層俄羅斯套娃（包括頭骨）。如果把它們也放大1000 倍的話，那將是一堵七米多厚的牆。另外，由於大多數人都不願意“拆牆”，將自己的頭蓋骨長時間暴露在外面，所以科學家們必須研發出創傷盡可能小的BMI 技術，為未來開展較大的範圍人體實驗創造條件。

假設我們已經看透大腦皮質，這些“神奇”的BMI 技術仍舊面臨著挑戰​​——如何“穿越”數十米厚的牆，抵達麥迪遜廣場花園內部。

當然要掌握大腦皮質並不是易事，我們上面提到的放大1000 倍的模型只是一個概念而已。而且大腦中有超過五十萬個這樣的小盒子，如果把它們排成一列，這條隊伍將長達500 公里，並一路延伸至波士頓或者其他地區。照這樣計算的話，參觀這條路或許要花費100 個小時。

好了，大腦的問題我們先說到這。下面我們開始聊聊Part 3 的重點內容——BMI 技術。

第一個問題，是什麼支持科學家和工程師們研發BMI 技術的呢？

那是因為，如今他們已經研發出可以記錄、刺激神經元的儀器（我們暫時先關註記錄的部分）。下面我將為大家一一介紹：

BMI 工具

就現階段的技術水平來看，我們應該從以下這三個方面去考量BMI 工具的有效性：

1）規模：同一時間內可以記錄多少個神經元

2）分辨率：工具接收到的信息的詳細程度。這裡說的分辨率分為空間（神經元“定位”的準確性）和時間（記錄信號時反應的迅速性）兩類。

3）入侵性：是否需要進行創傷性處理，如果要，到底有多需要？

長遠的目標是同時實現以上三點，不過目前還未能完成。所以科學家們要做的是考量——“我應該拋棄哪一條標準”。每個工具之間並不存在高級、低等之分，研究人員要做的是權衡各BMI 工具利弊。

下面我們正式開始介紹，目前科學家們正在使用的工具：

fMRI：功能性磁振造影

規模：高（它可以顯示整個大腦的信息）
分辨率：空間分辨率達中低水平，而時間分辨率則較低。
入侵性：無創式
fMRI 是一種經典大腦記錄工具，可為科學家們提供大量的腦部信息。不過，fMRI 並不是BMI 研發中常用的技術。

fMRI 誕生於20 世紀70 年代，是由基於X 射線的CAT 掃描技術演變而來的。不過MRI 使用的不是X 射線，而是磁場（無線電波或其他信號）。



這是一整套完整的腦橫截面圖



非常神奇的技術

fMRI 使用磁共振技術來跟踪大腦內血流量的變化。為什麼呢？因為大腦區域活躍運動時需要消耗更多的能量，需要血液供氧；所以跟踪血流情況，可以推測出大腦的活躍區域。



fMRI的大腦成像圖

當然，大腦裡本就有血液，但是圖像僅僅顯示出血流量增加（橙色/黃色）以及降低（藍色）的地方。另外，由於fMRI 可以掃描整個大腦，所以它的成像一般是三維的。



fMRI 具有大量的醫療用途，比如確定腦中風後，大腦哪個區域的功能還能保持正常運行等等。目前，fMRI 技術已經為神經科學家們提供了大量的大腦信息，而且幫助他們發現了大腦某些區域的特定功能。另外，fMRI 還具有安全、無創等優勢，因此有利於科學家們開展大腦實時掃描研究。

不過剛剛也提到，fMRI 技術最大的缺點就是分辨率不高。與電視機一樣，fMRI 掃描圖像也具有自己的成像像素——三維的立體像素。

隨著科學技術的持續發展，fMRI 成像體素的尺寸不斷縮小，使其空間分辨率提高至立方毫米級別。大腦的體積大約為120 萬立方毫米，所以fMRI 掃描成像時將會把大腦劃分為約百萬個小立方體。不過這樣的尺寸，對於神經元來說依舊很大，每個像素可以囊括數以萬計的神經元。

而且更嚴重的問題是，fMRI 技術的時間分辨率較低，得出的血液跟踪數據準確性不高，且有一秒鐘左右的延遲時間。一秒鐘聽起來雖然不多，但是這已經夠神經世界革新幾輪了。

EEG：腦電圖

規模：高
分辨率：空間分辨率非常低，時間分辨率可達中、高水平
入侵性：無創式
近一個世紀以來，EEG一直把一個電極陣列罩在患者頭上。請看下圖：



或許對於2050年的人來說，EEG是一種非常原始的大腦技術。但是在這個時代，EEG依然受到學界的青睞，因為它是實現無創型BMI技術的途徑之一。下面是大腦不同區域的腦電記錄圖：

腦電圖可用於傳遞包括癲癇症、睡眠模式、麻醉劑量狀態等等在內的醫療信息。

另外與fMRI 不同，EEG 具有相當好的時間分辨率，能夠迅速捕獲大腦中的電信號。值得一提的是，儘管頭蓋骨（不良導體）的存在降低了腦電圖記錄時的精度，EEG 依然能表現出良好的時間分辨率。

想像一下，大腦就是一個大型棒球場，場上的觀眾就是一個個神經元，裡面沸騰的人聲則是在神經元之間來回穿梭的信息。在這一場景下，EEG 就像是靠在體育場外牆上的麥克風。它可以聽到裡面人群的歡呼聲、哨聲，也可以通過這些聲音預測球場內的戰況。不過，也就這樣而已了。

ECoG：腦皮層電圖

規模：高
分辨率：低空間分辨率，高時間分辨率
入侵性：具有一定創傷
ECoG原理與EGG類似，都使用了表面電極，不同的是EEG是無創的，ECoG則需要破開顱骨，把電極放到大腦表面進行檢測。



雖然看著有點不太舒服，但是它比腦電圖有效多了。沒有了頭蓋骨的干擾，ECoG的辨析度可達一厘米，時間分辨靈敏度也可提高至五毫秒。此外，檢測時ECoG既可放置在硬腦膜上方，亦能置於其 下方：



我們再拿體育場作為比喻，這次的ECoG 麥克風進到了體育場裡面，可以近距離觀察人群。所以說，ECoG 接收到的聲音比EGG 清晰，為更好地區分人群中各部分發出的聲音創造了條件。但是這種改進是要付出代價的——需要進行入侵性手術來實現。不過，這種入侵式手術的創傷性較低。一位神經外科醫生告訴我：“與其他入侵式腦科手術相比，這種需要在顱骨上打洞、把檢測儀器放置到硬腦膜下面的手術的創傷性相對較小。”

LFP：局部場電位技術

規模：低
分辨率：空間分辨率處於中低水平，時間分辨率則較高
入侵性：創傷性大
現在我們來說一種基於微電極的大腦技術。形象來說，就是向你的大腦裡插入幾根“針”。

腦外科醫生Ben Rapoport 向我講述了他的父親（精神病學家）是如何製作微電極的：

在我父親那個年代，微電極都是手工製作的。他們會把直徑約為10 到30 微米的極細金屬線（如用金、鉑或者銥製作成細線）插入一毫米寬的玻璃毛細管中，然後將毛細管放置到火焰上均勻加熱。加熱至玻璃變軟，他們便開始拉伸毛細管，讓其變薄並把金屬線包裹於其中。最後移開火焰，待其冷卻後便能製得——玻璃絕緣微電極。這種電極由外面的絕緣玻璃，以及包裹在裡面的金屬導體組成，其尖端約為幾十微米。

隨著科學技術的持續發展，除了這種手工微電極外，目前還出現了一些使用矽晶片以及集成電路技術製造的微電極。

實際上，LFP 的使用方法非常簡單，只要把幾根這樣的電極插入大腦皮層中（插入約一到兩毫米即可）即可。然後，電極便會蒐集一定範圍內神經元間傳遞的電信息。

LFP 兼具fMRI 的較好的空間分辨率及ECoG 較高的時間分辨率。所以說，LFP 可謂是這幾個BMI 工具中各方面分辨率最為優良的一個。

不過可惜的是，LFP 在其他標准上的表現卻不盡如人意。

與fMRI、FFG 和ECoG 不同，基於微電極的LFP 技術只能記錄插入處小範圍內的信號。而且，它所造成的創傷最大——微電極需要深入大腦內部。

在棒球場內，LFP 就像是一個專屬的麥克風，懸掛在特定位置，可以快速、準確地捕捉這一範圍內的聲音。不過，它只能蒐集特定區域的信號。

最近，科學家們還研發出一種 多電極陣列。它的原理與LFP相同，不過一個陣列由100個LFP組成。



在一個邊長為四毫米的正方形上，有100個微小的矽電極。你可以從下圖中看出它到底有多尖銳。



單細胞記錄技術

規模：微小
分辨率：超高
入侵式：創傷性極大
為了擴大LFP 的信號記錄範圍，科學家們將微電極的尖端設計為半球狀，從而加大其外表面積；同時還降低電極的電阻（這不是準確的專業術語），以此提高LFP 蒐集到外周微弱信號的機率。

我們接下來要介紹的單細胞記錄技術，亦採用了針狀電極，不過它的電極電阻較大且尖端極鋒利。這樣的設計，將能幫助電極排除外界“噪音”，在非常近的距離（可能為50μm）裡偷窺單個神經元的“私生活”。雖然它的檢測範圍極微小，但是其分辨率確是最高的。

順帶一提，你可以點擊這裡聽一聽神經元的“ 歌喉 ”。（你聽到的是轉化為音頻的神經元電信號）

為了提高單細胞記錄技術的檢測水平，科學家們研發出一種名為“膜片鉗”的技術。膜片鉗拋棄了極尖細的微電極，採用玻璃吸管作為“收集器”。這種毛細吸管會把皮層上的神經元直接“吸入”管內，進行直接檢測。所以說，膜片鉗蒐集的神經元信號更加精確。

另外，膜片鉗技術還具有一個優勢。與我們上面討論的技術不同，膜片鉗可以直接與神經元進行接觸。這意味著，除了蒐集神經元信號之外，它還能通過電流釋放、恆定電壓等方式來刺激特定神經元（其他方法也能刺激神經元，但是只能刺激整個區域的神經元）。

隨著技術的持續發展，未來將會出現一種名為“尖銳電極記錄”的技術——電極穿透細胞膜、直接進入細胞內部進行研究。科學家們認為，當電極足夠尖銳時，細胞膜會“封住”電極並保持外表完整性。這種情況下，我們將能更加直接的記錄及刺激神經元。不過，被刺穿的神經元的存活時間不會太長，所以說這種技術的時效性較短。

我們再回到體育館內，如果說單細胞記錄技術是夾在觀眾領口上的麥克風，那麼膜片鉗和和尖銳電極記錄技術則是安裝在觀眾聲帶裡面的麥克風。這樣我們將能了解比賽全程，某位觀眾的情緒變化。但對於“球場上正發生什麼事情”、“周圍觀眾的反應如何”等等問題卻不得而知。

這些就是我們目前比較常用的BMI 工具。雖然技術的成就和進步令人稱奇，但是對於未來的人類，這些技術或許與石器時代的工具無異。他們可能無法理解，我們為什麼要在記錄範圍以及高分辨率間權衡？為什麼要打開頭蓋骨才能研究大腦……

不過，拋開他們的局限不說，這些工具確實幫助了我們逐步了解大腦，以及研發下面這些早前的、神奇的BMI 技術。

1969 年時，一位名為Eberhard Fetz 的研究人員將猴子大腦裡的某條神經元與它面前的儀錶盤進行連接。當猴子思考過程中刺激到這條神經元時，儀錶盤上的指針會轉動，Fetz 會獎勵猴子一顆香蕉味丸子。隨著時間的推移，猴子“啟動”儀錶盤的速度越來越快，並以此來獲取更多好吃的丸子。所以說，猴子逐漸掌握了激發這條神經元的技巧，科學家們無意中發明世界上第一個真正意義上的腦機接口。

不過在接下來的幾十年裡，這類研究一直未能取得相應的進展。直到90 年代中旬，這類技術的腳步才逐漸加快。

鑑於我們對大腦以及電子硬件的了解都處於初級階段，所以科學家們構建的腦機接口技術大多針對他們最為熟悉的大腦區域，如運動皮質區、視覺皮質區等等。

另外，順應市場需求，目前科學家們的研究方向幾乎集中在恢復殘疾人功能、減輕患者病痛上。

現階段的BMI 產業仍處於嬰兒萌芽階段，不過不久的未來，這項技術將賦予人類神奇的力量，並為我們開啟一個全新的世界。下面我們來看看如今的BMI 技術，然後以此為線索，想像一下2040 年、2060 年或者說2100 年的世界將會變成什麼樣子。

打個比方：



這是1950 年時艾倫•圖靈建造的計算機——Pilot ACE。同時，它還是那個時代的尖端科技。

回到現今：



當你閱讀下面的例子時，我希望你可以按照這樣的思路來想像：

從Pilot ACE到iPhone 7
≈
從下面每一個BMI技術到_______

希望大家打開腦洞，想像一下橫線處的未來世界。我們待會兒再回到橫線這裡。

我從閱讀過的所有資料以及與專業人士的交流討論中，總結出了目前BMI 領域的三個“主力”：

早期BMI 技術#1：把運動皮質當成“遙控器”

文章在Part 2 裡提到過運動皮質，如果你忘了，請看下圖：



“大腦中各個區域的具體分工分別是什麼”這個問題可能會讓我們困惑不已，不過運動皮質除外。因為神經科學家們已經確切地知道運動皮質每一部分連接著你哪一個特定的身體部位（還記得上面提到的homuncilus 嗎？）。

另外還有一點很重要的是，運動皮質在人類大腦的信息輸出中扮演者重要角色。我們做的每一件事，幾乎都是由運動皮質操控的（至少與身體有關的都是）。所以說，人類不需要學習如何通過運動皮質操控身體，因為大腦已經把運動皮質當成“遙控器”使用了。

舉起你的雙手。好，現在放下。明白了嗎？你的手就像是一個玩具無人機，當大腦拿起“運動皮質遙控器”，按下按鈕時，“無人機手”會起飛、著陸。

簡單來說，基於運動皮質的BMI 技術就是，進入運動皮質內部、接收“遙控器”發出的指令，然後將其傳遞至某些可以做出響應的機器上。神經束是連接雙手與運動皮質的橋樑，而BMI 要做的則是在運動皮質以及電腦之間建立聯繫。

舉個例子，一種基於準系統的腦機界面可以幫助一些脖頸以下癱瘓或截肢的人，用大腦直接操控屏幕上的鼠標。

要實現這一目標，需要在運動皮質中植入一種包含100 根“針”的多電極陣列。實際上，導致病人癱瘓的原因大多由皮層與脊髓間的連接部位“罷工”造成，所以說他們的運動皮質一般都能正常運行。鑑於此，安裝好多電極陣列植入物後，研究人員要求癱瘓病人嘗試“移動”他們的雙手。雖然他們的雙手動不起來，但是運動皮質依舊像“沒事人”一樣，繼續發射相應的信號。

在這些研究進展中，或許還會萌發出一些突破性的想法及研究項目，如腦對腦交流等等。

Nicolelis他們就曾做過這樣的實驗，將兩隻分別位於巴西和美國實驗籠裡的小鼠，通過電線、腦植入芯片與計算機相連接，從而建立起它們彼此間的腦電波傳播迴路。兩隻小鼠所處的實驗籠大致相同，都放置著兩個踏板。但不同的是，巴西的小鼠知道觸碰哪一個踏板會帶來獎勵，而美國的小鼠則什麼都不知道，只能從巴西小鼠的腦電波里獲取信息。如果實驗過程中，兩隻小鼠拉動了相同的踏板，它們將能獲得獎勵；如果不同則沒有。結果表明，隨著訓練次數的增多，它們表現出了一種協同合作的狀態。小鼠雖然分隔兩地，但是他們亦能影響對方的腦電波——美國小鼠的成功率本為50%，與巴西小鼠建立聯繫後，成功率躍升至64%。（這裡是小鼠實驗的 視頻）。

前年，美國科學家們甚至在人類身上開展了 這項實驗。研究人員要求兩位測試者分別在不同獨立的建築中，一起合作玩遊戲。他們中可以觀看遊戲屏幕的測試者，頭戴EEG，並努力想如何移動雙手及按下“射擊”按鈕。另外一邊只有手持操縱桿的測試者則需要通過腦電波傳過來的信息，適時按下“射擊”按鈕即可。

早期BMI 技術#2：人造耳朵& 人造眼睛

下面我要來介紹一下——為什麼可以使用BMI 技術來恢復失明者的視力及失聰者的聽力。

第一，與運動皮質一樣，感覺皮質同樣是一個科學家們了解的較為全面的區域之一。

第二，在許多早期應用裡面，我們還不需要“動”到大腦，只要從受損的地方——耳朵和眼睛入手，找到如何將這些損傷部位與大腦重新連接起來的方法。

我們上面已經介紹過，運動皮質主要是通過記錄神經元間傳遞的信號來獲取大腦信息的。而人造感官的作用原理卻完全不同，它要做的不是獲取信息，而是刺激神經發送信息。

實際上，近幾十年來人造耳蝸植入物已經取得了一定研究進展。

我們是怎麼聽到聲音的？

當你覺得自己“聽到”“聲音”的時候，實際上發生的事情是：

我們認識中的聲音，其實就是在你頭部周圍空氣分子的不同振動模式而已。吉他弦、人的聲帶、風等等，這些東西發出聲音，都是自身振動而產生的。它們振動時會帶動空氣分子產生類似的振動波，並以同心球的模式向外擴展。

而耳朵則是將這些空氣振動波轉化為電脈衝的機器。每當空氣（水或者任何具有振動分子的媒介）進入你耳朵的時候，它會把空氣中的振動波精確地轉換成電信號，並傳遞相應的神經末梢。這時聽力神經會激發一種動作電位，並將這些電信號傳送至聽覺皮層進行處理。我們把這種接收聲音信息的過程稱之為“聽力”。

大多數失聰或者聽力障礙患者的神經系統、聽覺皮層一般都是正常的，而出現問題的地方大都是——耳朵。他們的大腦和其他人一樣，都已經做好接收電脈衝信號並轉換為聽覺的準備。不過，他們的耳朵已經丟失了蒐集振動波及翻譯為電脈衝的功能。



另外，耳蝸會按照頻率對輸入的聲音進行排序。下面是一張很酷的圖表，它顯示了為什麼低頻聲音會一直傳遞至耳蝸內部，而高頻聲音則在入口處就被處理了？（以及為什麼耳朵具有一定的聽力範圍）



耳蝸植入物由具有麥克風的微型計算機（位於耳朵上）以及延伸至耳蝸的電極陣列組成。



因此，聲音可以被麥克風（耳朵頂部的小鉤子）收錄，並進入這個能夠過濾無用聲音頻率的棕色的東西里面。這個棕色結構將會通過皮膚、電導將聲音信息傳遞至計算機的其他部件之上，隨即轉化為電脈衝並發送到耳蝸深處。在這裡，電極不但要過濾無用信息，還要像聽毛一樣刺激聽覺神經。這是植入後的外觀：



簡而言之，人造耳朵與耳朵執行的任務並無差異，從聲音到脈衝，再到聽覺神經。

聽一聽，佩戴耳蝸植入物後，聲音會是什麼樣子？

好像不太好聽，為什麼？因為要像聽力正常人士一樣接收到較為豐富的聲音信息，至少需要3500 個電極，但是目前大多數的人工耳蝸植入物只有16 個左右。

我們目前還處於Pilot ACE 時代，所以技術可能會“粗糙”一點。

但不可否認的是，如今的人工耳蝸的確是一項突破性技術，它讓失聰及聽力障礙人士重新聽到言語、對話。

現在不少聾啞嬰兒的父母，在嬰兒約為一歲的時候就為他們安上人工耳蝸植入物。像下面視頻中的嬰兒，他第一次聽到聲音的反應非常可愛。

http://www.cheekr.com/wp-content/uploads/2017/04/8-Month-Old-Deaf-Babys-Reaction-To-Cochlear-Implant-Being-Activated.m4v?_=3

同樣在恢復視力這一領域裡面，我們也研發出了一些視網膜植入物。