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在人的大腦內部,1000億個神經元彼此相連。
未來人類的大腦也許能被改造和控制,就像在大腦中裝了各種開關。
張世忠教授(邱偉榮攝 )
『眼見為實』,但在思維的世界就顯得不那麼靠譜。你看到過愛或者恨嗎?可這些看不到、摸不著的東西卻真實存在於我們的感知。然而,隨著腦科學的發展,如今我們真的可以看見『思想』,聆聽大腦的對話,甚至可以改造大腦,注入思維。腦科學的未來,想到就能做到,意念也許既可在瞬間被兌現,也可頃刻間被載入。日前,一個生動有趣的『大腦展』正在廣東科學中心展出,帶我們走入一個既熟悉又陌生的大腦秘境。
策劃:趙潔
撰文:許珍通訊員吳晶萍
圖片:Gettyimages(署名除外)
大腦是一個帶電的器官
在『大腦展』展廳入口處的『大腦的奧秘』趣味藝術裝置中,你會驚訝地看到自己的大腦是怎樣運行的。展示中,模擬神經元的發光小珠子沿著成千上萬條路徑高速前行,而在大腦內部,1000億個神經元由細長的臂狀物彼此相連,電化學信號也基本以同樣的方式,沿著一個復雜的網絡移動,實現通訊。盡管大腦信號產生的電壓不及普通手電筒電池電壓的1/10,但大腦仍是一個帶電的器官,這為人類監測大腦的行動提供了條件。如今,科技手段已允許科學家通過影像技術來捕捉大腦中看不見的思維活動。
其實,關於『想法』是否可以『觸摸』,從說謊這個簡單例子就可見一斑。現代科學證實,人在說謊時生理上的確會發生一些變化,有一些肉眼可以觀察到,如出現抓耳撓腮、腿腳抖動等不自然的動作。還有一些生理變化是不易察覺的,如呼吸速率和血容量異常,出現呼吸抑制和屏息;胃收縮,消化液分泌異常,導致嘴、舌、脣乾燥;肌肉緊張、顫抖,導致說話結巴……這些生理參量由於受植物神經系統的支配,在外界刺激下會出現一系列條件反射現象。測謊的原理正是由此而來。
如今,對大腦的監測更深入。『大腦展』介紹了捕捉思維活動的一些先進影像技術,例如功能性磁共振成像(fMRI),它利用磁信號測量大腦血流量變化,展現大腦某個特定區域氧耗量的情況;正子斷層掃描(PET),利用放射性化學元素追蹤腦部代謝活動;腦磁圖掃描(MEG)則是通過記錄腦磁波,對腦部損傷進行定位診斷。
大腦想什麼,電腦全知道
人們常說,『知人知面不知心』。但隨著腦科學的發展,『讀心術』已經不再是夢想。如今,你可以把電腦連接到大腦上,讓神經元和電腦直接進行交流。根據兩者間發出和接收電子脈衝,你大腦中在想什麼,電腦全知道。
在『大腦展』中,一部名為『聆聽大腦的對話』的短片展示了腦機接口研究的最新進展。
這部短片主要介紹了美國紐約州首府奧爾巴尼市瓦茲沃斯中心的科學家們所開發出的復雜的計算機軟件,它能對大腦信號進行實時分析。在短片中,癲癇癥病人志願者參與了腦機接口的研究,在實驗中,他們只需靠『想』,也就是思維的力量,就可以操縱虛擬手和玩計算機游戲。志願者躺在床上,對著電腦屏幕,不需動手,僅靠動腦,就可以讓屏幕上的虛擬手實現抓握的動作。
另外,更不可思議的是,在另一項實驗中,腦機接口系統還能夠描繪出志願者腦海冥想的詞語。例如志願者腦海中想著『dance』(舞蹈)這個單詞,另一側的電腦屏幕上就會根據他的腦電波的振動頻率逐個分析字母,而後出現『dance』這個詞匯。無需動口,亦無需動手,只需想想,意念即可瞬間實現。
關於此項研究的原理,奧爾巴尼市神經病學家安東尼·瑞塔齊奧解釋說,『大腦是一個帶電的器官,腦細胞通過電流實現交流。某種非常高頻的電流非常微弱,只有在很靠近大腦表面時纔能記錄到。』當腦細胞正在進行某項特定功能時,它們便以這些高頻率電波進行交流、共振或同步。通過在大腦表面進行記錄,可以對某一具體功能進行定位。
這些研究工作的進行有賴於皮層腦電圖(ECoG)技術。ECoG作為癲癇手術的輔助手段,是指在大腦表面直接放置一排電極,對大腦電流的震動進行監聽。
科學家解釋,大腦和電腦之間的這種聯系,就像不同語言的人之間的交流。腦機接口就是指利用大腦的這些頻率,並將其用於復雜的計算機演算。這樣,當你想象移動拇指的時候,你就能夠開燈;只需在腦海中想你想寫下的字,就能夠在計算機屏幕上拼寫;你能夠在繞開脊髓的情況下操作你的四肢;你也能夠靠意念操作機器臂……展望未來,腦機接口的應用前景無限。
安東尼·瑞塔齊奧博士表示,『ECoG(皮層腦電圖)之所以有效,只是因為我們終於能在正確的地方聆聽大腦的對話。』
未來或可重塑我們的大腦
隨著科學技術的發展,人類或可以重塑我們的大腦功能。在『大腦展』中,『無線大腦』展覽單元展示了一個美好願景:未來,也許完全無需手術,就可以通過磁場刺激大腦改變你的感覺、思維及運動方式。例如,在大腦之外建立一個高速脈衝磁場,這一過程稱為『經顱磁刺激』(TMS),這樣能在大腦中精確選擇的區域產生電子脈衝。如今,TMS是增長最快的主要的抑郁癥非藥物療法,並且在很多對抑郁癥藥物無反應的病人身上取得了成功。未來,TMS可成為精神分裂癥、躁郁癥、嚴重創傷後遺癥和強迫癥的非藥物療法。同時,研究人員也在測試使用經顱磁刺激來治療肥胖癥、癖嗜以及偏頭痛。
南方醫科大學珠江醫院神經外科張世忠教授以及在讀博士盧國輝在接受本報專訪時表示,在科研方面,TMS可以虛擬地使大腦某個部位去功能化,可用於研究這個部位的行為和認知功能。在臨床上,由於TMS可以根據磁刺激頻率的不同隨意對大腦皮質進行皮質間的抑制和易化,因此對於一些神經性疼痛,癲癇、抑郁狂躁等精神疾病,以及成癮性疾病(毒癮)有著直接的優勢。盧國輝表示,目前在AD(老年癡呆癥)和PD(帕金森病)的治療方面,TMS仍僅被應用於康復治療階段但收效甚佳。
將外界信息輸入人腦
如果我們可以通過電腦讀取大腦信息,那麼是否也可以反過來,將外界信息直接傳輸進大腦並影響大腦思維呢?張世忠教授以及盧國輝介紹,這是完全有可能的。『我們實驗室曾經做過這樣的研究:反復訓練一只正常的實驗用恆河猴在特定的位置抓取特定的食物,並記錄大腦該功能區域的腦電波,待得到一個穩定的腦電波後,將此猴腦中此功能的區域毀損,再使用微電極重新輸入先前記錄到的腦電波,即使並沒有在原來位置擺放食物,這只猴子仍可還原抓物功能。』
但人腦遠要復雜得多。盧國輝表示,若是要將大量的信息寫入大腦,首先存在倫理問題,再者是大腦只有通過不斷的學習記憶纔能在腦內形成穩定的突觸連接。『要知道,完成一項動作或意識,是成千上萬的神經元互相配合的結果。』他強調說,正是有了這些重要前提,纔能在大腦某個功能受損時針對這個功能區進行特定的刺激以恢復連接。雖然如此,這項技術用於疾病的治療是非常有前景的。
如此說來,未來人類是否可以直接在大腦中輸入學習記憶內容?盧國輝說,將此項技術用於『偷懶』或對他人意識進行控制可能性微乎其微。『因為每個人成長環境的不同就意味著已建立的神經網絡連接存在巨大差異,而且大腦的復雜性是無法想象的,並且其發育過程也是不同的。』
張世忠教授則表示:『對大腦我們一直充滿敬畏,其能力遠超出我們的想象,我預感我們永遠沒有完全模仿或復制它的一天,只可能部分地了解或學習一部分。』
在電腦上瀏覽自己的夢境
在腦機接口的實驗中,一組電極被置於大腦皮質的表面之上,電線將這些信號傳遞給電腦,電腦對其進行分析。下一步,電極也可以把信息傳入大腦。未來,人類有可能繞過眼睛,也能看到電腦直接模擬視覺皮質生成的圖片。大膽暢想,隨著腦機接口的發展,瀏覽自己或他人的夢境興許不再是難事。
現在,攝像機可以把圖片直接送入大腦,比方說盲人可佩戴一副特制的墨鏡,通過無線方式把圖像傳送給他的視網膜。工作的原理是微型攝像機被隱藏在一副墨鏡裡,無線傳輸裝置把電子信號傳輸到大腦裡的接收器,接收器把信號傳給直接安置在視網膜上的60根微小電極組,這60根微小電極模擬視網膜的神經元,通過視神經把信號傳給大腦。
視網膜移植目前還不普及,但被稱為耳蝸植入術的設備就不同了,它能讓失聰人群聽到聲音。人工耳蝸是由耳內部分和體外部分組成。聲音由麥克風接收後轉換成電信號,經過一系列變化將聲音信息傳入大腦,產生聽覺。上述設備已被用來取代喪失功能的感官。但從理論上講,同樣的技術也可直接從電影、視頻游戲或網絡上把任何聲音和圖像傳入到人腦裡。