随后的几十年,人们又找到了其他一些频率的脑电波,并且把它们和大脑的状态对应起来:熟睡时的德尔塔(δ)、困倦、冥想或被催眠时的西塔(θ)、进行复杂的思想活动或者情绪波动时的伽玛(γ)、以及只能在掌管运动的区域探知的缪(μ)。脑电图开始逐渐成为脑部诊断的必备工具,意识的生理基础不再是一个需要争论的哲学命题。
然而贝格尔医生没有等到EEG大放异彩的那天。在他逝世的时候,电子计算机还没有被发明出来。当电脑和人脑联合时将会必然发生的巨变,怕是连贝格尔医生自己,也从来未曾想到。
20世纪70年代,在美国国防部的国防先进技术研究署(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency,就是这个部门发明了互联网)资助下,加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA, University of California Los Angeles)开始尝试利用EEG,将人类思考的结果不借助肌肉和神经组织,而直接通过计算机来输出——让思考可以直接被看到,让大脑可以直接控制机械,让肉体的羁绊消失于无形。
直到这时,脑机接口(BCI,Brain-computer Interface)这个词才首次出现在科学文献中。伴随这个词出现的,是人们对于大脑活动越来越深入的理解。1978年,人们发现猴子可以在训练后,快速学会自由地控制初级运动皮层中单个神经元的放电频率;1989年,约翰霍普金斯大学的科学家发现恒河猴手臂运动方向和大脑运动皮层中单个神经元放电模式的关系;而到了九十年代,一些研究人员已经能够实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号,并且用来控制外部设备。机械义肢可能变得和原生肢体一样容易使用,人类在进化的漫长道路上看到了一种全新的可能性:人和机械,可以作为一个生命的不同组成部分而共存。
童年的结束
脑电图在头皮外测量,电极仅仅用于接收信号。这是它最大的优势,不会对监控的大脑造成任何可能的损伤。而它的缺点也同样明显:在头皮外接收到的电信号不仅微弱,而且多个脑区的活动信号会叠加在一起,最终形成看起来十分混乱的波形。
幸好这些缺点可以部分克服。微弱的电信号可以放大,而波形的分离早在十九世纪就已经由法国数学家傅立叶解决。现在我们只需要解决脑电波和大脑思考行为的对应关系就行。
但是,这却是最大的难点。大脑中有超过140亿个神经元和超过1000亿的神经元连接,而且由于大脑惊人的适应性,对一个人来说某种行为对应的神经元活动,可能在另一个人身上就完全换了另一组完全不同的神经元。实在很难找到一个共通的模式,可以轻松地让大脑活动变成电脑屏幕上跳跃的文字或者图标。研究人员们现在只能通过探寻一些粗略的模式来进行分析,但是这样的模式避免不了误判的可能。
现在,基于EEG的脑机接口主要集中在两个方向:诱发的信号和自发的信号。当某个异常事件发生后的300毫秒左右,将会检测出一个被叫做P300的电波峰值;当眼睛受到光或图像刺激后,视觉皮层将会产生视觉诱发电位。这两类信号可以通过诱发产生,而且判断准确率较高,但是缺点是需要外界刺激,并且依赖人体本身的某些知觉才能工作。而当某侧肢体运动或者仅仅是想象其运动时同侧的脑区产生的事件相关同步电位、通过反馈训练可以自主控制的皮层慢电位和自发的阿尔法、贝塔等脑电信号虽然不需要外界刺激,但是需要大量的特殊训练和适应过程。毕竟,世间安得两全法,鱼与熊掌,永难兼得。
基于EEG脑机接口进展的举步维艰,让人们不得不另辟蹊径。功能性核磁共振(fMRI,functional Magnetic Resonance Imaging)这种经常摆在医院里的巨大工具,成了科学家们盯上的下一个目标。功能性核磁共振可以用于查看大脑中不同脑区的血液流动情况——一般来说,思维活跃区域的血液流量就会相应增加。这样,通过监测不同区域的血液流动情况,和之前训练的图像进行对比,就可以判断被监控者的思维活动。2006年,日本国际电气通信基础技术研究所和本田研究所两家机构采用这种技术,开发出可以控制机械手的脑机接口,控制的延时只有几秒钟。和脑电相比,功能性核磁共振有更多的优势,但是fMRI实在体积太大,现在还不能指望能够做成一顶头盔戴在头上。
而且,更精确的思考,不会存在于头皮之外,只能从头颅内部去寻找。
在脑中植入电极的设想,几十年前看起来还像是个笑话,但是现在人们已经开始认真地考虑其可行性了。通过一系列动物实验,科学家们已经开始小范围地尝试在人脑中植入电极。这样做的好处显而易见:减少其他脑区活动产生的电波干扰、精确定位电信号的出处。
2004年6月,马萨诸塞州福克斯煲的“赛博动力学”公司(Cyberkinetics)为一位24岁的四肢瘫痪者马特·内格尔(Matt Nagle)脑中植入了一枚芯片。这枚被叫做“脑门”(BrainGate)的芯片只有药片大小。医生为马特做了一个开颅手术,把“脑门”放在大脑表面。在经过9个月的练习之后,马特可以仅凭思考来收发电子邮件、控制一个机械手臂,甚至可以玩电脑游戏。“脑门”有96个电极,可以探测1000多个神经元细胞的活动。将这些神经元的活动发送出来,通过电脑的分析和处理,让马特获得了更好的生活质量。