第一部分　脑机接口的基本原理

第1章　脑机：人类为什么能被改造

关于大脑的“迷”

在本书的开篇，我想你最好奇的一定是，脑机接口为什么可以“改造”人类呢？

在回答这个问题之前，我想先带你区分两个概念—“问题”和“谜”，这是语言学家诺姆·乔姆斯基（Avram Noam Chomsky）提出来的。

为什么这两个概念这么重要呢？因为所有未知的事物，都可以被划分为“问题”或者“谜”。当我们面对“问题”的时候，虽然不知道它的解法，但不断增加的知识会给我们提供新的解题思路。而面对“谜”就不一样了，我们只能靠猜，猜不出来就只能“干瞪眼”，对找到问题的解决方法没有任何帮助。

打个比方，你参加一场数学考试，可能会遇到难题，但你很清楚，它有答案。如果你仔细研究或者询问老师，你肯定能找到解题思路。那么这道难题，就属于“问题”。另一种情况，你拿到了一张白卷，或者卷子上是完全陌生的符号，你甚至连题都看不懂，这就是“谜”。

从这个思路来看，100年前的大脑就是一个“谜”，那时候我们想做脑机接口，那只能说是科幻。而进入21世纪后，脑机接口却发展很快，很大程度上就是因为关于大脑的“谜”，正在被科学家们逐一攻破。

首先我们先来聊聊大脑的结构，人类大脑得以与其他动物大脑区分的关键来源于结构最外面的这一层，我们叫大脑皮层。大脑皮层包括分工管理自主意识、语言的额叶（Frontal Lobe），分工管理视觉信息的枕叶（Occipital Lobe），等等。但我们今天想主要聊聊运动皮层（Primary Motor Cortex）和感知皮层（Primary Somatosensory Cortex），这两个皮层主要位于大脑的中间部分。我们对它们感兴趣的原因是脑机接口的很多研究都是针对它们展开的，因为人类对这两个皮层的了解最深入，相应地，也最容易在这两个区域通过脑机接口提取相应的信号或者对其产生相应的刺激。

为了更好地把运动皮层和感知皮层形象地表达出来，人们根据每个皮层所对应的器官的神经元密度的不同，依比例做成一些3D的小人（Homunculus，拉丁语，“小人”的意思），比如下图是伦敦自然历史博物馆的3D感知和运动小人的模型，左边是感知小人，右边是运动小人。

两个小人有很多相似的地方，比如他们的舌头都很大，眼睛也很大，说明这两个器官不仅感知神经发达敏感，而且运动神经也很发达，都有很灵活的移动性。仔细观察我们可以发现两个小人长得很像，也就是说，对应的感知皮层和运动皮层在各个器官的神经元密度分布类似。比如，手都很大，说明手上的感知神经元特别多，手对各种各样的触觉、温度的反应都极其敏感；同时，运动神经元也特别多，说明手和手指的活动都特别灵活，各个指关节可以做出揉、捏、碰、按等很多复杂的动作。但我们同时也可以发现，两个小人其实长得还是有些不一样的，比如感知小人有外生殖器而运动小人没有（或者非常小），说明外生殖器的感知神经元密度很大，很敏感，而运动皮层对外生殖器只有很少的操控权。又比如运动小人的手掌、下颚会比感知小人的更大，说明人类对手和下颚的运动操控都有巨大的要求，而这两种运动都跟人类的生存，比如抓取食物、咀嚼等息息相关。针对运动皮层，脑机接口工程师发明了很多相关的脑机接口设备，比如可以通过运动皮层控制机械臂等。

如果再往深一层探究，我们会发现大脑其实是由上千亿个神经元组成的，大脑的神经元之间有着错综复杂的连接，神经元的树突（dendrite）和轴突（axon）之间通过放电和传输一些化学物质来传递相应的信息，等等。

但不得不说，我们对大脑的了解还是远远不够的。目前，我们对大脑的结构和神经元的连接，及其所对应的生理和心理学特征的了解还是极其有限的，所以对神经元之间释放出来的电信号的了解也很有限。如果说大脑的奥秘中总共包含的知识是一公里，那么我们在这个路程上走了至多2厘米。美国西北大学教授莫兰·瑟夫（Moran Cerf）分享了在神经科学界的一句老话，也指出了为什么试图完全理解大脑是一个无法达成的悖论：“如果人类大脑真的有那么容易理解，那么拥有这种简单大脑的我们也是不能理解大脑的。”这也从另外一个侧面反映了了解大脑这个任务的艰巨性。

也正是因为大脑和神经元超级复杂的结构，所以科学家们开始酝酿“人类连接组计划（Human Connectome Project）”。在这个计划里，科学家们尝试构建一个完整的人类神经元连接地图。这个计划与人类基因组计划一样，是个巨大的工程，需要多个院校和企业的合作，而且连接组Connectome这个词，也有参照基因组Genome这个词的意味。

在这个计划里，科学家们把人类的大脑切成很薄的片，比如30纳米（大约3×10-8米）厚的薄片，把薄片的神经元连接描绘出来，然后再重新合成为3D图片。连接组计划可以帮助人们看到大脑里的神经元如何排列。