馬斯克的腦機接口都能幹些啥？科學家工程師這樣解釋

今年8月下旬，超過15萬人收看了一場非常有趣的網絡直播，腦機接口初創公司Neuralink進行了最新的技術演示。這家神秘公司由美國科技大亨埃隆·馬斯克（Elon Musk）創立，其目標是使用微型大腦植入物來將人類與人工智慧（AI）結合起來。觀眾們看到了最近記憶中最迷人、最怪異的技術演示，演示期間包括神經外科機器人、活生生的大腦中神經元尖峰的現場反饋，以及身著定製運動外套的億萬富翁在舞臺上試圖哄名為格特魯德（Gertrude）的豬，這些場景既令人感到好笑，同時又讓人對未來充滿了憧憬。

馬斯克是個才華橫溢的表演者，向來以異想天開而聞名，比如將他自己的特斯拉跑車發射到太空中，並出售功能齊全的火焰噴射器來幫助籌集隧道挖掘創企的資金。然而，他的戲劇性表現讓人很難分辨他是在討論今天已經存在的真正技術，還是仍然需要幾十年才能實現的雄心勃勃的願景。Neuralink也是一家極其複雜的公司，它融合了醫療設備、大腦外科手術、機器人、神經科學以及機器學習等領域，這使得對其技術的理解變得更加困難。

約翰·霍普金斯大學認知科學家、語言學家託馬斯·史密斯（Thomas Smith）已經在AI領域工作了十年，他的朋友兼合著者、霍普金斯大學生物醫學工程學家克裡斯·蔣(Chris Chiang)在過去的八年裡也始終在醫療設備領域工作。在馬斯克的演示還未結束時，他們就取得了聯繫，開始深入研究Neuralink的演示到底展示了什麼？它的哪些技術部分在醫學上是有用的？自2019年分享有關其技術的細節以來，該公司做出了哪些變化和犧牲？我們什麼時候才能使用「心靈感應」技術？這一切對計算機連接大腦的未來意味著什麼？

馬斯克本人植入了Link？

Neuralink技術的核心是Link，這是個硬幣大小的大腦植入物，馬斯克在演示中將其描述為「一個帶電線的大腦Fitbit」。Link通過電磁感應充電，就像你通過無線方式為手機充電那樣，與人類頭骨的厚度(8毫米)大致相當。Neuralink將使用定製的手術機器人植入Link，它的操作有點兒像縫紉機。

機器人會在人的頭骨上鑽個洞，然後把Link插入進去，就像瓶子裡的酒塞一樣填滿這個洞。人的頭皮會被覆蓋住設備，使其隱藏起來。正如馬斯克在演示中打趣的那樣，他可能已經植入了Link，只是沒有人知道。在底部，Link有1000多個被組織成「線程」的微小電極，每個電極大約5微米寬，相當於人類頭髮直徑的1/20。

手術機器人會將這些線程插入大腦的皮質表面，讓設備既能讀取大腦皮層的電脈衝，又能向大腦「寫入」信號。馬斯克將植入過程描述為「不太可怕」，並在演示期間的一段視頻中簡要地展示了這一過程。機器人迅速地將一個接一個的電極插入活體大腦中，避開血管，以最大限度地減少出血。

Neuralink的機器人將電極線程插入活體大腦中

委託機器人用縫紉針反覆刺傷你的大腦聽起來可能有些令人毛骨悚然，但Neuralink的確需要一名機器人外科醫生，因為Link的電極線程尺寸太小，必須避免大量微小的血管，而且需要插入大量電極。Neuralink的機器人擁有比最好的人類外科醫生更穩定的「手」。在手術過程中，熟練的顯微外科醫生的手左右移動約50-100微米。但在植入5微米寬的電極時，即使是上述那種微小的移動也會引發嚴重後果。

為了將植入過程中的腦損傷降至最低，使用機器人也是必要的。在植入Link時撞擊血管不僅會導致附近的神經元萎縮，而且會隨著時間的推移降低設備的信號質量，甚至可能會嚴重損害血腦屏障。避免這種情況尤其重要，因為血腦屏障的破壞是許多神經退行性疾病發病的基礎，如阿爾茨海默氏症、帕金森氏症和多發性硬化症。

Neuralink聲稱，植入手術將需要大約一個小時時間，可以在門診進行，而且不需要全身麻醉。該公司還聲稱，這個過程是完全可逆的。不過，如果用戶選擇摘除設備，他們的頭蓋骨上將會留下個大洞。馬斯克希望用戶每隔幾年就升級一次Link，就像我們今天升級iPhone一樣。

這已經帶來了許多令人信服的可能性，以及一些令人嚴重關切的風險和挑戰。與現有的神經植入物相比，Link是個令人印象深刻的工具包。Utah Array也是一種用於神經植入的競爭系統，馬斯克在演示中提到了它，這種設備通常連接到頭骨上一個笨重的盒子上，需要大量的外部硬體和電纜。它還必須由熟練的人類外科醫生安裝，該設備的手術手冊長達41頁。

像Utah Array這樣的神經植入物也有重大風險，包括在植入手術期間至少有1%的中風風險，以及植入後高達5%的感染風險，這些風險通常非常嚴重，需要臨時取出至少部分植入物。由於Link完全嵌入在皮膚下，並以無線方式傳輸數據，細菌利用該設備作為管道慢慢侵佔大腦的可能較小。

此外，像Utah Array這樣的現有設備中的電極也是堅硬和笨重的，它們通常必須應用在大腦的一個特定小區域，具有統一的覆蓋模式。相比之下，Link可以使用它的線程將電極分散到多個相鄰的區域，從而有可能一次訪問更多的大腦區域。Utah Array的電極也要少得多，一般為256個，而Link的電極數量為1000多個。就像相機傳感器中的像素數一樣，電極越多，數據的解析度就越高，潛在地就能更深入地了解大腦的活動。值得注意的是，Link還提供了比頭皮腦電圖等非侵入性腦電圖技術更好的解析度，頭皮腦電圖位於頭頂，而不是大腦中。

然而，自該公司2019年的演示以來，Neuralink對Link初始版本的雄心已經發生了戲劇性的變化。最初，馬斯克計劃讓Link的電極深入大腦內部，使其能夠進入邊緣系統(調節情緒，在成癮和焦慮中發揮作用)及其子組成部分海馬體(介導記憶形成等功能)等區域。現在，正如演示所揭示的那樣，研究小組將自己限制在與皮層表面的接口上，這是大腦外表面上一個更容易接觸的區域。

這意味著，馬斯克在演示中承諾的許多治療和能力仍需數年時間才能投入使用。如果不能接觸到大腦深處的區域，Neuralink將更難解決記憶力喪失、抑鬱、焦慮、失眠、上癮或許多中風問題，更不用說「下載」新技能了，馬斯克也承諾了這一點。例如，以矩陣式方式將技能下載到大腦中可能需要訪問與形成程序性記憶有關的基底神經節。這一結構深埋在大腦中，遠遠低於皮層表面，很可能超出了當前一代Link的範圍。

控制假肢心靈感應？

儘管如此，人們在大腦皮層表面可以做的事情還是很多。例如，初級體感皮層位於大腦的頂葉，很可能是Neuralink的設備可以接觸到的。它處理允許身體感覺到的「輸入」，包括本體感覺(身體在空間中的位置感覺)、疼痛、觸覺和溫度。同樣，初級運動皮質也很可能是可以接觸到的。它控制移動四肢、軀幹、眼睛和其他身體部位所需的「輸出」。這兩個區域都被映射到身體的不同區域，所以知道在哪裡放置電極會相對簡單。

將Link連接到這兩個區域將提供許多強大的功能。首先，Neuralink可能會使用該設備為截肢者創造一種連接大腦的假肢。假肢上的傳感器可以無線連接到Link，將它們的信號發送到初級體感皮層，給假肢帶來逼真的感覺。然後，Link可以從初級運動皮層讀取信息，並將該區域的信號轉換為指揮假肢的指令。

最終的結果將是患者可以用大腦控制假肢，這將幫助他們恢復觸覺，這對掌控精細運動技能至關重要。事實上，這一點已經在其他大腦植入物上得到了證明。馬斯克的演示中有一段暗示了這一發展方向。在演示中，被植入Link的豬在跑步機上行走，屏幕上的圖表顯示了根據讀取其大腦信號預測腿的位置，這些信號與她的腿的實際位置配合得很好(儘管不是很完美)。與現有設備相比，Link的小尺寸、更高的解析度和無線功能可能會為患者帶來更好的精細運動控制、更逼真的感覺，以及更少的外設部件和電線。

Neuralink希望通過腦機接口技術治療的疾病

一種類似的技術可以用來繞過脊柱受損的神經，恢復截癱患者的感覺和運動能力。Neuralink已經暗示，治療癱瘓情況將是它首次在人類身上使用這項技術。這種可能性以及該設備的潛在影響，導致美國食品和藥物管理局(FDA)授予Link「突破性設備」稱號，這將使Neuralink在FDA審查中獲得優先地位，以及與FDA互動的其他方式，以更快地收到反饋。

Link還可能與皮層表面的其他大腦區域連接，例如初級聽覺皮質和初級視覺皮質。這些區域分別包含聽覺光譜和視野的物理地圖，它們比大腦的感覺和運動區更複雜，所以Neuralink不太可能在短期內將圖像疊加到我們的視野中，或者在我們的大腦中播放音樂。但即使是當前版本的Link也可能會以一種遲鈍的方式刺激這些區域，產生只有你自己才能感覺到的閃爍的點、聽得見的音調或閃爍的顏色。這可以用來通知你一些事件，比如你的手機收到一條簡訊，或者你駕駛的特斯拉前方即將遇到障礙物。

通過稍微深入大腦內部，Link甚至可以潛在地刺激初級味覺皮質，該區域接受與味覺相關的輸入。當使用者吃西蘭花或其他健康的、相對平淡的食物時，Link可以刺激他們味覺皮質中的甜味神經元，給人一種享受美味甜點的感覺。乍一看，這似乎很愚蠢，但對於癌症患者來說，增加口感已經是一種經過驗證的治療方法，他們在化療期間經常難以吃飽。

要超越單純與運動和感覺互動，並開始執行改變記憶或控制情緒等功能，Neuralink團隊需要做的不僅僅是直截了當地刺激特定的大腦區域和讀取基本信號。他們需要深入了解大腦是如何運作的，這樣Link才能正確地與之對接。

Neuralink可能會通過使用機器學習將大腦活動模式與現實世界中發生的事情聯繫起來，從而實現這一點。例如，Neuralink的軟體可以了解到，神經元的特定放電模式對應於用戶聽到特定頻率的聲音。這可能會讓Link將用戶的耳朵和初級聽覺皮質變成相當於隱藏的麥克風，通過解釋到達大腦的聲音頻率來記錄用戶聽到的一切。

通過訪問與語言規劃相關的大腦區域(如布羅卡區)，理論上，該設備有朝一日還可以竊聽用戶正在思考但實際上並未說出的話。這些信息可以發送到另一個人的手機上，如果他們也有Link的話，甚至可以直接發送到他們的大腦中。這將使Neuralink能夠提供馬斯克承諾的「心靈感應」功能。

黑客襲擊廣告商受益

然而，今天的機器學習並不是萬能的，它通常依賴於對大量輸入數據的訪問，然後將這些數據與特定的輸出相關聯。但對於許多醫療條件來說，這些輸入數據和輸出會是什麼樣子還不清楚。例如，什麼信號對應於用戶感到抑鬱？或者什麼信號可以抵消對毒品的渴望？

對於像這樣的複雜條件和精神狀態，很難想像Neuralink如何識別要尋找的正確輸入信號，更不用說訓練計算機生成有效的輸出信號了。機器學習主要關注發現並複製模式。但是，像精神疾病這樣複雜的東西不太可能有明顯的信號模式供機器學習系統複製。在不清楚精神疾病在大腦中表現方式的情況下試圖治療精神疾病，可能會產生意想不到的後果，或者可能會使情況變得更糟。

當你將機器人、大腦增強、機器學習和神經外科等技術結合在一起時，一系列其他的事情也可能會出錯。在大腦上操作總是有風險的，即使是使用高科技的機器人也是如此。即使Neuralink可以成功插入Link，也不能保證設備能長期使用。

植入式設備壽命的一個關鍵問題是其包裝的密封性，即它的防水效果如何。人的身體60%由水組成，一旦增加了植入式設備，水就開始慢慢地滲入其中。當足夠多的水分子滲透到設備中，就會發生冷凝，內部電子設備可能會被腐蝕。

將Link做得更大些將有助於它在體內堅持使用的時間更長。這就像一艘下沉的船，裝置越大，微小洩漏就越不致命。只要將Link的直徑增加1毫米，就可以為用戶額外贏得4到6年的使用壽命，而不需要再在頭骨上鑽一個大得多的洞。設備的壽命也可能與其電極的耐用性和塗層有關，以及用戶的身體是否會產生異物排斥反應。

除了物理和醫療風險之外，將計算機直接連接到人類大腦的數據隱私和安全風險同樣巨大。在許多方面，這些風險反映了我們面臨的現有技術的風險，包括無處不在的監控、通過廣告產生的影響、黑客風險和勒索，但套用馬斯克的話，這些危險將被放大幾個數量級。

如果攻擊者可以在布羅卡區等大腦區域使用電極獲得對未來Link設備的讀取權限，就有可能進行惡意讀心和竊取機密。攻擊者可能會在用戶思考時「聽到」他們的想法，即使他們沒有大聲表達出來。這可能會導致談判中的信息不對稱，攻擊者比另一方知道更多，使設備充當隱藏的測謊儀，或者讓攻擊者變出某人最黑暗的秘密進行勒索。

如果攻擊者通過受入侵Link獲得對大腦的寫入權限，後果就更可怕了。攻擊者可能會在最糟糕的時候讓你產生幻覺、執行意想不到的動作或認知行為，比如你開車的時候。在高速公路上，對你的主要運動皮層的幾個簡單刺激可能會導致你突然左轉，這很可能會造成致命的後果。攻擊者還可能導致用戶自己投身到車流中，或者是頭朝前撞擊人行道。

不過，有趣的是，這可能是Link所引發安全風險中最不必令人擔憂的事件之一。現有的植入式設備(如起搏器和胰島素泵)歷來以安全鬆懈而臭名昭著。然而，目前還沒有明顯的黑客使用這些設備來傷害用戶的案例，原因可能歸結為經濟原因。今天的惡意軟體主要是用來謀取金錢利益。與秘密暗殺相比，黑客勒索個人甚至大型機構數百萬美元獲益要高得多。即使黑客獲得了對Link這樣的設備的寫入權限，他們也更有可能利用它來欺騙你、剝削你或試圖賣給你東西，而不是撞壞你的車。

例如，攻擊者可能會使用該設備的未來版本，在個人做出重要決策的關鍵時刻誘導情緒、意志或「直覺」。例如，一位詐騙藝術家可以給你提供「一生難得的交易」，同時讓你的大腦中充斥著催產素，給你對其產生一種無法解釋的信任感和善意，讓你更有可能接受他們的騙局。這樣的攻擊基本上會抹去同意的概念。通過操縱用戶的感覺和基本情緒，很可能是在用戶甚至不知道這一點的情況下，攻擊者可以說服他們做幾乎任何事情，從同意糟糕的交易，到接受性侵犯，或者從事其他他們通常會拒絕的危險行為。

Link對廣告商來說也可能是一種恩惠。廣告軟體的神經等價物不太可能在你的視野中以明目張胆、令人厭惡的彈出窗口的形式出現。相反，當你與某些品牌互動時，廣告商可以使用Link來刺激你大腦腹側被蓋區的多巴胺釋放區域，讓你對他們的產品產生人為的積極感覺。

廣告商還可以採取一種更微妙的方法，刺激你的大腦自然地與某種氣味產生積極的聯繫，然後在實體店釋放這種氣味。廣告商已經使用香水營銷來影響你的購買，加入巴甫洛夫式的神經成分只會讓這些技巧變得更強大。營銷人員可以使用該設備來獲得對你的喜好和願望的各種洞察力，這有助於延長其本就相當具有黏性的營銷過程。

攻擊者如果手頭有時間，也可以利用神經可塑性對你的大腦進行長期攻擊。大腦不是個靜止的器官，它的神經元會根據你所處的環境不斷地修改它們的連接和放電模式。例如，攻擊者可以使用Link將用戶的視野一年緩慢旋轉幾度。實驗表明，大腦可以適應這些變化。如果攻擊者移動得足夠慢，你在日常生活中就不會有任何問題，而且很可能不會注意到這種變化正在發生。

然而，如果攻擊者突然取消了累積的視覺旋轉(例如你沒有支付贖金)，這會讓你的視力扭曲並發生功能障礙，直到你的大腦重新適應正常的輸入。移除Link不會有什麼幫助，因為你的大腦已經在神經層面上適應了惡意軟體扭曲的輸入。大多數人可能會選擇支付幾百美元的贖金，以避免花幾周或幾個月的時間看到世界扭曲或顛倒的情況。

攻擊者還可能使人們檢測自己身體的變化變得更加困難，例如荷爾蒙釋放的變化或控制能量新陳代謝的動態平衡機制。如果你沒有支付給攻擊者贖金，或者為了躲避他們而移除了Link，這些改變可能會讓你感到極度疲憊、異常飢餓，或者出現類似糖尿病的情況，直到你的身體重新調整過來。

想方設法保護用戶安全

Neuralink可以使用許多策略來保護其用戶免受這些威脅。正如神經威脅反映了現有的安全威脅和隱私問題一樣，保護用戶免受神經黑客攻擊所需的舉措也反映了傳統的網絡安全方法。顯而易見的步驟可能包括使用可靠的認證方法，對設備使用的電壓和電流實施安全的硬體限制，以及限制放置電極的大腦區域等。

此外，Neuralink可以限制對設備的物理訪問(有意構建極短距離或定向通信無線電)，在設備上放置物理「開關」，或將設備輸出模式的範圍鎖定為一組有限的安全「板載功能」。機器學習可以通過檢測令人擔憂的神經信號或行為模式來保護用戶給予同意的能力，就像今天用於檢測欺詐性銀行交易的技術一樣。

要開始在真正的人腦中植入Link，Neuralink必須滿足FDA的各種要求，短期生物安全可能是首要考慮因素，才能推進人體試驗。這可能會在一年內發生。稍後，該公司將需要解決這些安全和植入設備壽命問題，以便獲得FDA的上市前批准，這是將該設備商業化銷售所必需的步驟。

不過，馬斯克從演示開始就很清楚，他的演示並不是為了銷售Link硬體。相反，它的主要目的是招聘繼續開發Link並進入人體試驗所需的程式設計師、工程師、科學家、營銷員、律師和動物飼養員。半機械豬是早期讀腦技術的有趣演示，但它們是讓科技員工和投資者對馬斯克公司感到興奮的更好方式。

馬斯克的戲劇性演示可能會讓那些習慣於傳統科學進展緩慢、需要精心策劃的人感到不快。例如，《麻省理工學院技術評論》將馬斯克的演示稱為「神經科學劇場」，並表示Neuralink「做出了難以兌現的承諾」。

過去，這樣的問題並沒有阻止馬斯克。正如《麻省理工學院技術評論》指出的那樣，人們還不能真正購買Link。但當馬斯克在2016年宣布特斯拉Model 3並開始接受1000美元的押金時，情況在很大程度上也是如此。在第一周，特斯拉就獲得了超過3.25億美元的收入，而當時這款產品完全沒有準備好進行生產和交付，甚至連馬斯克自己都對此感到驚訝。

隨後推出的Model 3需要在停車場建造製造帳篷，要求客戶容忍重大延誤，並創造一個據說足以讓許多員工和經理離開公司的「地獄式」工作環境。但是，儘管Mode 3在特斯拉推出時從技術上講還不存在，但該公司現在每月出貨量高達5萬輛，Model 3幫助特斯拉成為世界上市值最高的汽車公司。缺乏可供銷售的實際產品並不一定會阻止Neuralink遵循類似的增長模式。如果不存在FDA，馬斯克幾乎肯定已經開始接受Link的預訂。

人類的大腦比任何汽車都要複雜得多。但是，即使是承諾對現有神經植入物進行漸進改進，用於治療癱瘓等嚴重疾病的Link設備，在馬斯克的宣傳力量和資金支持下，也將是一股強大的力量，前提是該公司能夠解決腦機接口棘手的隱私和安全挑戰。如果事實證明，該設備在治療其他更普遍的疾病(如焦慮、抑鬱或成癮)方面是有益而安全的，那麼Link的潛在市場可能非常龐大。

目前有超過15萬人植入了神經植入物，所以Link找到大量不是豬的用戶的想法並不奇怪。「心靈感應」可能還需要幾年的時間才能成為現實，希望神經廣告軟體和勒索軟體也是如此。但是，將來像Link這樣的大腦植入物會幫助截肢者重新行走，或者讓你用思維召喚特斯拉汽車，這些未來場景可能比你想像的更早到來。

來源：騰訊科技