腦機接口、DNA測序、用氣味檢測疾病,下一個科技前沿,是什麼?

虎嗅註：

用意念控制癱瘓的手臂；給大腦開一個類似USB一樣的接口；在實驗室外也可進行基因組測序；從病人呼出的氣息中「聞」出疾病。

這些聽起來可能像科幻小說裡的前沿科技，正在一步步走進我們的生活。

科技的下一個前沿究竟會是什麼？它們又會給我們的生活帶來多大變革？以下三篇文章會提供一些答案。

為了給虎嗅會員尋找全球的好內容，虎嗅正式和《經濟學人·商論》展開合作，每月向虎嗅會員提供兩篇其付費專享內容，本文由《經濟學人·商論》一月刊中三篇文章《神經技術：下一個前沿》、《DNA測序：盡在掌握的基因組》、《醫療診斷：氣味追蹤》合併而成。

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1- 神經技術

人們常用「具變革性」來宣傳某種技術。對威廉·科切瓦爾（）來說，這個詞並無誇張。一次自行車事故後，科切瓦爾自肩部以下癱瘓，但還是能自己用手吃飯。這個非凡的成就部分要歸功於植入他右臂用來刺激肌肉的電極，但真正施展魔力的還在更高的部位：科切瓦爾可以用意念控制手臂。他移動手臂的意圖反映在他大腦運動皮層的神經活動中，而他大腦中的植入物會探測到這些信號並將之轉化成指令，激活他手臂裡的電極。

用這種方式解碼思想聽起來可能像科幻小說。但是像科切瓦爾使用的「腦門」（）系統之類的腦機接口證明思維控制的確可以實現。研究人員僅憑人們的神經活動就能知道他們聽到了哪些詞語、看到了哪些圖像。信息還可以經編碼用於刺激大腦。超過30萬人已經植入了人工耳蝸，這種裝置把聲音轉換成電信號，再將信號傳入大腦，幫助人們聽到聲音。科學家還曾將數據「注射」到猴子的大腦裡，通過電脈衝命令它們做出動作。

腦機接口的研究進程正在加快，並且越來越雄心勃勃。美國軍方和矽谷都開始關注大腦。Facebook希望能實現「思想轉文字」，讓大腦直接輸出文字。創業公司Kernel獲得了一億美元的融資，用於研發神經技術。伊隆·馬斯克成立了一家名為Neuralink的公司，他認為人工智慧出現後，人類如果還想生存下去，就需要升級。在企業家們設想的世界中，人們可以通過心靈感應與他人或機器交流，或是獲得超人般的能力，比如能聽到非常高頻的聲音。

這些能力即便真能實現，也要到幾十年後。但在那之前，腦機接口或許會打開通往非凡新應用的大門。想像一下，人類或許可以通過刺激視覺皮層來幫助盲人視物，為中風患者建立新的神經連接，或是監控大腦是否有抑鬱症的跡象。腦機接口將神經元放電轉化為一種可利用的資源，在此過程中或許會改變對人的定義。

思維的感覺

持懷疑態度的人對此嗤之以鼻。事實證明，把醫用腦機接口從實驗室帶到臨床實踐中就非常困難。科切瓦爾使用的「腦門」系統是十幾年前開發的，但試用過的人屈指可數。將植入物變為消費品更加難以想像。腦機接口要成為主流面臨三大難以逾越的障礙：技術、科學和商業。

先說技術。像腦電圖（）這樣的非侵入性技術很難透過層層皮膚、骨骼和腦膜來提取高解析度的大腦信號。這項技術有所改進，體現在用來玩虛擬實境遊戲和僅靠思想控制工業機器人的腦電圖帽上。

但至少在目前，那些最具雄心的應用仍需要能與大腦神經元直接交互的植入物。現有的設備也有很多缺點，例如都有穿過頭骨的電線，還會引起免疫反應，且只能與人類大腦850億個神經元中的幾百個交流。但這種情況可能很快會改變。隨著微型化技術的進步以及計算能力的提高，研究人員正在努力製造安全、無線且能與幾十萬個神經元交流的植入物。它們當中有些解讀大腦的電信號，另一些則嘗試利用光、磁和超聲波信號。

攻破了技術壁壘，還要面對另一個障礙。大腦仍然是個非常陌生的領域。科學家們對於它的確切工作原理知之甚少，如果涉及記憶形成這樣的複雜功能就更是如此。在動物身上的研究進展更快，但在人體上試驗卻很困難。不過即便是目前，我們還是加深了對大腦某些部分的了解，如運動皮質。而且這方面的知識並不總要面面俱到。機器學習可以識別神經活動的模式；大腦自己也能遊刃有餘地控制腦機接口。神經技術還將揭示更多大腦的秘密。

就像開「腦」洞

第三個障礙是難以實現商業化。醫療設備獲批需要時間、資金和專業知識。而消費應用只有具備對人們有用的功能時才能大行其道。有些腦機接口的應用並無必要，比如，要想不動手指就能打字，使用好的語音助手比使用大腦植入物更便捷。

認為消費者會哭著喊著要做開顱手術的想法似乎也很離譜。但是在某些情況下，大腦植入物已經是一種成熟的治療手段。大約有15萬人通過電極接受深腦刺激，幫助自己控制帕金森氏症。雷射眼科手術也已證明選擇性手術可以成為常規手術。

所有這些都表明，要抵達神經技術先鋒們設想的未來，道路雖艱辛，但仍可實現。無論一個問題有多難，一旦人類發揮創造力，賭它無法被攻克就是不明智的。

隨著技術進步，也許在幾年內人們就會開啟與大腦溝通的新渠道。很多最先投入應用的腦機接口都是為了實現非常明確的效果：恢復運動和感知能力。但隨著應用轉向增強人體能力——無論是用於軍事目的還是消費活動，就會產生種種擔憂。隱私是一個突出的問題：內心聲音的庇護所可能會消失。

另一個問題是安全：如果能夠通過網際網路連接上大腦，那麼它也可能被黑客攻擊。還有第三個問題：不平等。除了自我永續的精英，也許再無人能承擔得起獲得超人般的認知能力。倫理學家已經開始為機器被引入神經迴路所引發的身份認同和主體性問題撓頭。

這些問題並不緊迫。但更重要的一點是，它們都不屬於純粹幻想。科技改變人類的生存方式。頭骨之下是下一個前沿。

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2- DNA測序

從前用來分析DNA的儀器又大又笨重，效果也不太理想。上世紀90年代末首次開展的人類基因組測序工程要用上數百臺這樣的設備，耗時十餘年才完成，耗資至少五億美元。自那以後，這項工作已變成常規流程，價格也降到了1000美元以下。儘管這類機器已經變得更加精良和小巧，但價格仍高達數十萬美元。眾多機構正在嘗試開發更小、更便宜的機器。

首款小到可以放入口袋的儀器已經上市。其生產者是位於英國牛津的DNA測序設備製造商牛津納米孔公司（）。這臺儀器的尺寸與比較厚實的手機接近，雖然有專利保護，但今後其他微型測序儀遲早也會問世。

這臺測序儀名為MinION，使用時先將其接入一臺筆記本電腦。它的工作方式是將DNA鏈吸入由大量小孔構成的「流動槽」，小孔直徑僅為幾納米（）。當不同形狀的分子沿孔內通過，流經小孔表面的電流就會發生變化。DNA鏈是由四種名為鹼基的子單元構成，它們形狀不同，因此可通過納米孔測序來測定這些鹼基的序列——同時獲取基因攜帶的信息。

繁忙的實驗室對測序結果的精確度要求較高，需要更大、更複雜的儀器來滿足，納米孔公司的測序儀並不是這類儀器的直接競爭對手。MinION的用處是在戶外開展基因測序。儀器本身的費用為1000美元，搭配用的流動槽的使用壽命為幾個月，批發價約為500美元。到目前為止，MinION已完成了多種微生物的DNA測序：有的是從南極大陸的雪上刮下來，有的是從斯瓦爾巴（）群島的冰川上沾取，還有的是從威爾斯廢棄煤礦深處的死水塘中抽吸上來。納米孔測序技術還被用來為2015年在西非暴發的伊波拉病毒測序。

不過，這項技術並沒有簡單到把樣本從儀器的一端放入就能得出結果的程度。要使用真正的可攜式測序儀，測序樣品小型化以及樣品製備自動化很有必要。要提取DNA，須將生物樣本的細胞打破，這一流程叫作細胞溶解。提取的DNA要達到足夠的純度，以保證讀取結果不受汙染。這個任務很有難度，需要操作者接受過一定的生物化學訓練，通常還會用到離心機和昂貴的試劑。牛津納米孔公司對該技術的細節守口如瓶，不過眼下該公司正在開發一個名叫Zumbador的小型儀器，並宣稱該儀器將會自動完成樣本製備。

實地解碼

目前很多用戶還不排斥自己製備樣本，通常是因為有了MinION就不必再等某個實驗室發回結果了。大型食品公司瑪氏（）正在中國的生產線上測試這款儀器，檢測特定種類的病原體，如沙門氏菌和大腸桿菌。該公司已經仔細檢查了設備和產品，看它們是否被這些病原體汙染。但瑪氏食品安全中心的主任畢睿博（）表示，目前的系統可能需要幾天或幾周才能發回結果。他希望，等到自動製備樣品的功能實現，就可以通過實時監控幾乎即刻發現問題。瑪氏還將擴展細菌檢測的範圍：目前的測試僅針對特定微生物，而基因組測序可以識別出任何有可能出現的細菌。畢睿博說，從初步結果來看，該技術前景看好。

基因組測序也非常適合用來調查食品的來源。若干年前，英國一些超市中被標示為牛肉的肉類商品竟含有馬肉，這場醜聞過後，人們對測試核查肉類產品的產地和種類產生了需求。英國熟肉製品供應商Cranswick正與華威大學（）合作，利用手持測序儀分析從包裝肉類中提取的DNA樣本，來確認是哪種動物的肉。

在發展中國家，現場測序的好處更加顯著。坦尚尼亞和烏幹達的農業研究人員計劃利用牛津納米孔的測序儀來識別引起木薯病害的病毒。全球大約有5.5億人（）以木薯為主食，但通過白粉蝨傳播的褐條病病毒等災害卻可能令產量減少40倍。位於三蘭港（）的米科切尼農業研究所（）和位於坎帕拉（）的國家農作物資源研究所（）已採集了樣本，試圖識別病毒的種類並幫助農民種植抗病性更強的作物。不過這些樣本得送到澳大利亞、韓國或瑞士的實驗室測序，流程可耗時數月。在9月開展的一個試點項目中，西澳大學（）的農學家蘿拉·博伊金（）和MARI的負責人約瑟夫·登戈如（）使用手持測序儀，在48小時內將病毒種類的數據發送給了農民。

牛津納米孔的首席技術官克裡夫·布朗（）認為，隨著便攜測序設備變得更快速、更精確，今後將有可能出現一種測序儀，人人都可用來獲知周遭事物的基因組特徵。只要用這個儀器觸碰一下某物，不管是血液、唾液還是超市裡的雞肉，就能獲得其基因組特徵。在過去，基因測序需耗時多年，但也許很快就可以隨時隨地開展這項工作了。

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3- 醫療診斷

眾所周知，醫學之父希波克拉底（）曾用氣味輔助診斷。一代又一代的醫生繼承了這種方法。例如，他們認為人在感染梅毒後會帶有特定的氣味，而爛蘋果味意味著糖尿病。今天，事情已經變得更加複雜。

在實驗室中，各種揮發性有機化合物（）已被確定為從乳腺癌到霍亂等特定疾病的標識物。本月早些時候，一篇論文報導了瘧疾的「呼吸印記」。然而，儘管人類已經掌握了這些知識，卻一直未能出現一種「疾病呼吸分析儀」。

其中的障礙在推行任何新型診斷工具時都很常見——問題並不在於技術上是否可行，而在於是否能證明在醫生使用時，它們能夠可靠、有效地工作。總部位於英國劍橋的Owlstone Medical公司認為自己已經開發出了這樣一個小工具。它的呼吸分析儀目前正在進行幾項大型試驗。

其中一項名為LuCID，正在歐洲招募4000名患者來測試肺癌早期診斷——肺癌常因確診太晚而難以治療。另一項試驗與沃裡克郡NHS信託基金合作，嘗試在1400人中篩查早期結直腸癌（）。慈善機構英國癌症研究中心（）正在評估這種儀器在及早發現大批其他癌症上的作用，包括膀胱癌、乳腺癌、頭頸癌、腎癌、食道癌、胰腺癌、前列腺癌和腦癌。

用途並不限於癌症。Owlstone已與藥品公司達成了幾項協議。11月27日，它與葛蘭素史克公司（）籤約，使用它的儀器來檢測哪些患者對慢性阻塞性肺病的治療有響應。一家名為4D Pharma的小公司正使用該設備來進一步了解病人體內的微生物群——也就是每個人身上攜帶的細菌大軍，從而能夠有針對性地提供藥物。

Owlstone的儀器之所以會引發那麼多的興趣，一個原因是其發展史有完備的記載。其中涉及的基本技術已運用多年，為軍事客戶檢測用於化學戰的毒劑。在用於醫療的版本中，人呼出的氣體會通過一個傳感器，令VOC電離而帶有電荷，而後根據分子在振蕩電場中移動的速度來給它們分類，由此得到一種化學指紋，或稱「呼吸活檢」，過程中不必使用化學品、針頭或試劑。

細節上免不了更為棘手。一方面，每個人呼出的氣息都不一樣，如果要可靠地識別出疾病信號，那麼這種設備就必須能夠克服這種天然的差異。但如果試驗成功，將帶來巨大的效益。廣泛的篩查可以幫助發現許多種症狀發展緩慢的疾病。

英國的醫生正在嘗試向有吸菸史的超市購物者提供CT掃描，因為這些人比大多數人更可能患有未發現的肺癌。但CT掃描成本高且輻射不小。呼吸活檢既便宜又無風險。如果它們能證明自己的價值，將為疾病診斷帶來一股新鮮的空氣。

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