记忆黑客

在南加州大学洛杉矶分校 412C 实验室里，维贾伊·斯里尼瓦桑正在用一根长而丑陋的针头戳着一片只有指甲盖一半大小的老鼠脑组织。在他周围，一圈圈的电缆堆放在笨重的显微镜旁。玻璃瓶和装满液体的塑料盘与备用键盘和计算机芯片争夺空间。这个地方看起来更像是一个计算机维修店，而不是世界一流的实验室。

“看这个，”南加州大学神经工程中心的设计工程师斯里尼瓦桑说道。一根细线连接着针头和连接到一个方形信号发射器的微型硅片。他按下开关，一连串小波在附近的屏幕上闪烁——这些波对我来说毫无意义。看什么？我很好奇。

斯里尼瓦桑解释说，芯片通过针头将电脉冲发送到脑切片中，脑切片再将电脉冲传递到我们正在观看的屏幕上。“电波调制的差异反映了脑切片发出的信号，”他说。“它们的频率和模式几乎与芯片发出的脉冲相同。”更简单地说，这个大约一毫米见方的铁灰色晶片正在与活脑细胞对话，就像它是真实的身体部位一样。

特德·伯杰是斯里尼瓦桑的老板，也是这些线圈和电极的幕后策划者，他安排了这次演示，希望让人们对脑科学的未来有一个小小的、深刻的了解。他认为，芯片与活细胞对话的能力是朝着植入式机器迈出的第一步，这种机器可以流利地说出大脑的语言，这种机器可以恢复脑损伤患者的记忆，或帮助他们创造新的记忆。

如果伯杰的宏伟设想得以实现，那么治疗阿尔茨海默病将变得像升级硬件一样简单。不再需要副作用令人沮丧的复杂药物治疗。外科医生只需植入几个计算机化的脑细胞，问题就解决了。

走廊另一头，伯杰站起身来，在办公室迎接我。伯杰今年 56 岁，身材魁梧，满头灰白头发，体格健硕，像一位老运动员，举止严肃，像一位首席执行官。我问道，一块硅真的能代替脑细胞吗？他说：“我不需要一个宏大的思维理论来解决本质上是信号处理的问题。修理工不需要懂音乐就能修好你坏掉的 CD 播放器。”

芯片说了什么谁也说不准——对话的内容与主题无关，伯杰继续说道。这是这位创造了世界上第一个记忆植入物原型的人的直白机械对话，记忆植入物基本上是海马体中对记忆形成至关重要的脑细胞的硬件版本。该芯片旨在替代受损的神经元，就像其他假肢代替缺失的肢体或改善听力一样。“如果我们能模仿大脑 10% 的效率和能力，那将是巨大的，”斯里尼瓦桑后来告诉我。

伯杰的研究团队由来自全国各地的神经科学家、数学家、计算机工程师和生物工程师组成，他们目前仅成功复制了极少量的大脑活动。他们的芯片模拟的神经元不到 12,000 个，而人类大脑中存在的神经元数量约为 1000 亿个。然而，该领域的研究人员表示，即使是这么小的数字也代表了神经工程领域的惊人成就。“这是一种可以改变世界的科学，”达特茅斯学院 Neukom 跨学科计算科学研究所负责人、脑科学教授理查德·H·格兰杰 (Richard H. Granger, Jr.) 说。“复制记忆将在我们的有生之年发生，这将使我们能够理解思想如何从组织中产生——换句话说，理解意识的真正含义。”

从边缘到先锋

在这个温暖的夏末午后，伯杰带我走出家门，开着他的柠檬黄色捷豹敞篷车沿着圣莫尼卡高速公路行驶。我们正前往南加州大学位于玛丽娜德尔雷的信息科学研究所，该研究所距离 Wet Lab 412C 仅 30 分钟路程，那里的计算机程序员一直在帮助伯杰微调他的芯片。伯杰一边说着，一边开着车驶向一辆 18 轮大卡车，他说，最大的挑战是让芯片完全双向，这样它就可以像真正的细胞一样，既能产生信号，也能接收信号。

伯杰教授的独白似乎与他浮夸的风格格格不入。头发从他的鬓角向后飞扬，穿着名牌衬衫，开着跑车——这一切都让他看起来像一个互联网百万富翁，而不是一个整天思考老鼠大脑的研究人员。“说实话，”他说，“人们对我们所做的事情的普遍反应是：哇，这真的很酷，但你们太疯狂了。”

伯杰已经习惯了这种名声。他的大部分职业生涯都处于该领域的边缘，但近年来，他眼睁睁地看着这个边缘变成了前沿。20 世纪 70 年代，作为哈佛大学生理心理学专业的一名年轻研究生，他在著名期刊《科学》上发表了一项关于眨眼的经典研究，这让他成为竞争激烈的神经科学领域的奇才。到 1976 年，26 岁的他获得博士学位时，他已经发表了 10 篇论文，并获得纽约科学院的一项奖项。但随着他在学术界的地位不断上升，他对同事们公认的观点越来越不满。“当时的想法是，你可以用药物或手术解决所有大脑问题，”伯杰回忆道。20 世纪 80 年代，他开始走上一条不同的道路。

当时，大多数神经科学家普遍认为大脑是一片鲜为人知的生化相互作用的沼泽。然而，伯杰着手将高级认知功能简化为一组数学方程，这些方程基于神经元对各种刺激的反应，然后可以将其编码成某种形式的假体装置。即使在闲聊中，伯杰似乎也渴望揭开大脑的神秘面纱。“它的细胞不过是直径 20 微米的漏盐溶液袋，”他笑着说。

但除了职业抱负之外，神经芯片的医疗和治疗潜力才是激发伯杰独特愿景的最大因素。能够恢复记忆细胞的机器将改变数百万患有脑部疾病的美国人的生活，并为照顾他们的家庭带来解脱。1999 年，这种可能性对伯杰个人而言具有重要意义。当时，他在世界各地的会议发表主题演讲，他的母亲中风并出现了典型的海马体损伤神经症状。“她不会说话，但可以笑和唱歌，”伯杰回忆道，他成长于纽约州波基普西，父亲是电气工程师。母亲于 2005 年患病并去世，对他的工作产生了深远而根本的影响。“它突然让我的研究不再只是一个需要解决的很酷的实验室问题，”伯杰说。 “我不再仅仅将大脑芯片视为解决神经科学的重大难题之一，现在我更看重的是它如何提高中风、癫痫和痴呆症患者的生活质量。”

据美国阿尔茨海默病协会和美国国家老龄化研究所估计，目前有 450 万美国人患有阿尔茨海默病，每年花费约 1000 亿美元。“随着我们这一代人年龄的增长，这些数字还会不断上升，”伯杰说，他能一口气说出阿尔茨海默病和其他影响记忆的脑部疾病的严峻统计数据。另外还有 530 万美国人是创伤性脑损伤的受害者，这种损伤会引发影响海马体的各种神经功能障碍，包括记忆丧失、癫痫和帕金森病。

伯杰曾经很难吸引到研究伙伴，但他最近在实验室中取得的成就，加上他的工作在医学领域的潜在应用，使他成为了众人瞩目的焦点。他目前是美国国家科学基金会神经修复技术评审小组的负责人。作为研究脑机连接的国家项目的负责人，他吸引了美国一些最杰出的科学家加入他的 65 人团队。南加州大学顶尖的生物医学工程师之一瓦西里斯·马尔马雷利斯 (Vasilis Marmarelis) 开发了芯片的建模理论，目前正在该校洛杉矶实验室进行路测，伯杰在那里担任神经工程中心主任。国家药理学专家萨姆·戴德威勒 (Sam Deadwyler) 将于今年晚些时候在维克弗斯特大学 (Wake Forest University) 用活体大鼠的大脑测试该芯片。伯杰不再是边缘人物了。

心灵与机器的融合

科学家绘制大脑基本结构的能力不断提高，已经生产出一些可以弥补受损感觉系统的机器植入物。例如，人工耳蜗让聋哑人重拾听力，人工视网膜目前正在接受患者试验。

但迄今为止，人类最引人注目的成就是布朗大学的大脑研究员约翰·多诺霍和他的同事正在开发的神经传感器。当传感器被放置在大脑的运动皮层区域时，四肢瘫痪的人只需想着做就可以张开和闭合假手。这项名为 BrainGate 的技术允许机器使用嵌入在软件芯片中的算法将来自大脑的电子信号（“我想移动这只手”）转换为运动活动。“可能性是无限的，”位于马萨诸塞州福克斯堡的 Cyber​​kinetics Neurotechnology Systems 公司的伊丽莎白·拉齐说，该公司希望在 2009 年之前将 BrainGate 推向市场。

Cyber​​kinetics 的工作与 Berger 的工作有些相似。两者都将大脑信号转换成计算机可以解释和翻译的代码。但 Berger 给自己设定了更困难的挑战。BrainGate 提供思维与机器之间的单向联系：用户可以与计算机对话，但反之则不行。Berger 的大脑芯片双向运作，充当受损细胞之间的桥梁。

用数学方法模拟大脑功能（以及大脑用来传达情感和记忆等概念的内部语言）的挑战在于，大脑细胞会用一种秘密的电子代码进行交流。一个细胞通过电脉冲与另一个细胞“对话”，而电脉冲的信息取决于电脉冲发射的时间和频率。这些时空模式使我们能够测量房间内物体之间的距离，并绕过它们。

测量这些模式，并以计算机芯片可以理解的方式对结果进行编程，这是约翰·格拉纳奇 (John Granacki) 的工作，他是一位电路专家，也是伯杰在马里纳德尔雷 ISI 的跨学科研究团队的一员。在通往格拉纳奇办公室的电梯里，伯杰夸口道：“这些人真的是前沿人物。他们就是互联网的发明者。”（实际上，正如格拉纳奇后来向我解释的那样，他们在 20 世纪 70 年代主持了阿帕网的西海岸部分，即学术上的原始网络，但也差不多了。）

当我们见到格拉纳奇时，他穿着斜纹棉布裤和一件浆过的纽扣衬衫。长方形无框眼镜从他的鼻梁上滑落下来。我们刚坐下，他和伯杰就开始谈论芯片生产计划和新的数学模型。突然间，我觉得自己是房间里唯一一个说英语的人。

过去四年来，格拉纳奇一直在尝试开发能够将伯杰方程转化为电脉冲的电路。最大的机械障碍是找到一种方法来减少晶体管产生的热量，这样芯片就不会损害健康的脑细胞。解决方案是创建一个更复杂的数字电路版本，该电路可以执行家用台式机的计算，但体积要小得多。

杰夫·拉科斯是格拉纳奇团队的高级电气工程师，他递给我一个内存芯片的工作模型。它与我在 Wet Lab 412C 看到的类似，比羽毛还轻，在我的掌心消失了。拉科斯告诉我，这个芯片代表了 100 个神经元，它们可以单独接收来自活脑组织的模拟信号，将其转换为数字信号，然后将其重新转换为模拟信号，传递给另一侧的健康神经元。“我们还需要做一些调整，”拉科斯偷偷看了老板一眼，提醒道。“但我想它已经准备好了。”

少思考，多行动

尽管伯杰和他的团队雄心勃勃，近期也取得了不少进展，但他们对大脑处理和分类信息的理解仍然不如其他神经科学家——他承认，这也是许多人批评他工作的原因之一。“他们告诉我，我不知道记忆是什么，这是真的，”他边说边陪我走向停车场。“他们问我如何才能取代我不理解的东西。”

伯杰的答案很简单：只要去做就可以了。今年晚些时候，伯杰在维克森林大学的同事们将把更复杂的芯片版本植入活体实验鼠体内，这些实验鼠的记忆已被药物暂时抑制。如果这些动物的大脑对计算机提供的信号的反应与实验室 412C 中的大鼠大脑切片的反应一样有规律，伯杰说，这将是一个“里程碑式”的时刻。“我们将证明，我们可以用微芯片取代失去高级认知功能（如记忆）的大脑中枢部分，”他说。

研究小组计划在四年内将芯片植入猴子的头骨下，猴子的大脑与人类的大脑更接近。伯杰预测，在不到 15 年的时间内，可以真正替代受损记忆细胞的假肢装置将投入人体试验。

毫不奇怪，伯杰对大脑的野心往往会引发争议。认知这个模糊的领域，即我们接收和记忆知识的部分，长期以来似乎无法在实验室中复制。毕竟，人类的独特之处在于，我们每个人的思维方式都不一样 - 这是个人联想模式、个人记忆和思维过程的结果，而这些模式本质上违背了机器般的标准化。

这就是为什么“仿生大脑”的概念让许多伯杰研究的观察者望而却步。篡改记忆和意识等基本过程可能会对身份概念造成严重破坏。例如，如果未来的大脑芯片导致人们回忆从未发生过的事情会怎样？或者如果它摧毁了健康的记忆以腾出空间来容纳新的记忆会怎样？“我们也可能毁掉美好的记忆，”格拉纳茨基承认。

华盛顿大学圣路易斯分校伦理与人类价值研究中心副主任、医生沃尔特·O·沙利克也表达了同样的担忧，他声称像伯杰的芯片可能会从根本上改变一个人的身份。他警告说，改变我们的记忆连接可能会巧妙地扰乱我们的联想模式，进而影响定义我们个性的“思维结构”。他认为，这种情况之所以会发生，主要是因为即使是最好的海马细胞模型也无法告诉我们大脑是如何运作的。“建模甚至模仿都不是替代，”沙利克说。“伯杰博士的实验目前只能提供一个不完整的桥梁。”

他指出，20 世纪早期人们对心脏的工作原理有这样的看法，当时大多数人认为心脏不过是一个泵而已。后来他们发现心脏也是一个内分泌器官，我们花了几十年的时间才调整对心脏运作过程的理解。“那些认为这项工作是迈向可上传大脑的一步的人——将你的微积分 1 信息放入一张新的 SD 卡，然后参加测试——还差得很远，”他说。

另一个问题是，研究人员发现，阿尔茨海默氏症等疾病造成的损伤发生在大脑的许多地方。因此，修复一个断裂的大脑回路可能还不够。达特茅斯的格兰杰说：“保持怀疑很重要。我们可能会制造出看起来像手臂的东西，但它却拿不起一杯咖啡。”

与医生共进晚餐

尽管伯杰的研究涉及重大的伦理问题，但愿意资助的人并不缺乏。美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院每年为伯杰的项目提供 300 万美元的研究预算。五角大楼的海军研究办公室和国防高级研究计划局（五角大楼的实验技术部门）也提供资助。脑机接口研究对未来的士兵有着明显的潜力：例如，想象一下连接到战斗人员身上的微型芯片可以提供红外夜视功能。

与此同时，伯杰的研究，曾经只是幻想，现在已进入主流。2003 年，伯杰在亚利桑那州图森成立了 Safety Dynamics 公司，该公司应用他的神经建模技术开发了一种名为 Sentri 的声音识别系统。该系统可以区分枪声和汽车气缸失火的声音，这对于人手不足的警察来说是一种监控犯罪猖獗社区的便捷方式。芝加哥和墨西哥提华纳的警察局现在都采用了这种设备，菲尼克斯、洛杉矶和俄克拉荷马城的当局也对此表示了兴趣。

然而，我们距离实现个人记忆升级还有数年甚至数十年的时间。但格兰杰说，“现在是时候认真对待这个想法了。”

伯杰把我送到南加州大学校园。他明天早上要去参加另一个会议，这次是在巴黎。虽然能受到欢迎是件很开心的事，但伯杰说他很怀念在实验室里捣鼓的日子。“有时我真想回到纯粹的研究工作上，”他承认。“但看到它开始带来回报，我感到很高兴。”

我问伯杰晚上有什么安排。他正前往帕洛斯弗迪斯半岛山顶的家，那里可以俯瞰太平洋。“我答应过我的女儿金伯利和妻子，我会早点回家，”他说，我点点头，想象着他们谈论家庭作业和家长会。但我错了。伯杰的妻子罗伯塔·布林顿是南加州大学研究阿尔茨海默病患者雌激素替代疗法的领军人物，曾作为伯杰团队的一员，将活脑细胞培养到硅片上。突然间，我注意到了这个男人的活力和决心：他从周游世界的脑科学家中解脱出来，回家谈论大脑。“我们边吃晚餐边讨论假肢，”他耸耸肩承认，然后转身走向他的车。