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脑机穿越:脑机接口改变人类未来


脑机穿越:脑机接口改变人类未来

作  者:[巴西] 米格尔·尼科莱利斯(Miguel A. Nicolelis)

译  者:黄珏苹,郑悠然

出 版 社:浙江人民出版社

丛 书:财富汇

出版时间:2015年03月

定  价:59.90

I S B N :9787213065835

所属分类: 计算机•网络  >  人工智能  计算机•网络    

标  签:计算机/网络  人工智能  

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书评书荐

TOP内容简介

    《脑机穿越》讲述了“人机融合”的未来,即“脑机接口时代”即将到来!在未来科技的驱动下,科幻大片的场景已逐渐走入现实。人类通过思维控制人造工具,如今听起来无法想象的事情,在未来会成为常态。从海洋深处到超新星禁区,甚至到我们体内细胞空间的微小裂缝,人类的触及范围最终将追上我们探索未知领域的野心。
    《脑机穿越》也是“脑机接口”的简要发展史。作者尼科莱利从脑机接口对传统神经科学的颠覆,到早期的“信息输出”,即机器如何读取大脑信息;再到现在科学家苦心钻研的“信息输入”问题,即反馈信号如何作用于大脑……为我们描绘了一幅人类未来新图景!
    在未来,随着脑机接口技术的不断完善,很多渐冻人患者、严重瘫痪患者也将从中受益。脑机接口有望让这些病患重新恢复功能性运动,重新学会行走。同时,脑机接口并不只局限在医疗康复领域,作者正在进行的“大脑校园”项目将是多学科合作的典范,它将提升人们的教育、健康及生活标准。甚至,我们能进入祖先的记忆库,下载他的思想,通过他最私密的感情和最生动的记忆,创造一次你们原本永远都不可能经历的邂逅……对于脑机接口将为人类带来怎样的未来生活,这些仅是窥豹一斑。

TOP作者简介

    米格尔·尼科莱利斯,世界顶级科研机构巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人,美国杜克大学神经工程研究中心创始人,现任杜克大学医学院神经生物学教授。
    法国科学院院士、巴西科学院院士,常在《自然》 《科学》等国际一流学术期刊上发表论文。2004年被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一,其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。
    2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者。

TOP目录

[目录]

推荐序 跨越卢比孔河  
段永朝
财讯传媒集团首席战略官

卢比孔河,是古罗马时期意大利与高卢的天然边界。公元前49 年,凯撒统一整个高卢之后,挥师南下,来到亚平宁半岛卢比孔河的北岸。按照罗马帝国的法律,任何帝国指挥官都不可跨越卢比孔河进入罗马,否则将视为背叛。凯撒心意已决,决定渡河。渡河时,他说了这样一句流传千古的话:“The die has been cast !”从此,这位未来的凯撒大帝,迈出了征服欧洲、缔造罗马帝国的第一步。

中文版序  用意念掌控生活 
引言  美妙的大脑交响乐 

我看到人类的祖先,第一次仰望无边无际的天空,充满了敬畏与恐惧。他们的大脑电波涌动,搜寻着我们今天还在苦苦思索的问题的答案。我意识到,这些胆怯而好奇地看着天空的原始人类,开始了漫长而宏伟的接力赛。从那以后,世世代代的人类都在寻找有关存在、意识以及周围一切的意义的本质解释。

从宇宙大爆炸到人脑的形成

第一部分 传统神经科学的颠覆

01 何为思维:数百亿神经元如何相互作用

“孩子,我们不会记录单一的神经元,原因和你几天前参加的政治集会一样。如果参加抗议活动的不是100 万人,而是只有1 个人,那它将是一场灾难。对于大脑来说也是如此。大脑不会注意单个神经元的电活动。要决定下一步该怎么做,需要很多细胞一起歌唱。”

百万人的呐喊
大脑“相对论”
大脑如何决策
大脑如何应对风险
“观点”从何而来

02 思维“捕手”:谁是脑机接口的精神领袖

戈尔季的神经网络观点在1906 年遭到了许多神经学家的嘲笑。但事实证明,这一观点激励了一代又一代的分布论者坚持自己的信念,其中包括拉什利、普法夫曼、赫布和埃里克森。

阿德里安爵士:“智能”存在于何处?
托马斯·杨与三色理论
戈尔季与卡哈尔的诺奖之争

03 模拟身体:脑机互动与脑机融合

当我们学会让大脑直接与人造工具进行互动时,大脑会把这些工具同化为我们身体的一部分。我相信,大脑对融合工具的渴望将开启人类进化的新篇章,它将为我们延展身体边界,甚至以非常独特的形式达到“永生”,比如为子孙后代保存我们的思想。

细胞结构学的兴起与鼎盛
触觉体验与小矮人图
濒死体验与幻肢现象
大脑可塑性实验
脑机融合开启人类进化新篇章


04 聆听神经元交响乐:测量并解读大脑信号

读着美国国立卫生研究院的批准函,我很快意识到,如果查宾打算做的实验真的成功了,那么它必然会对神经生理学领域产生巨大的影响。有史以来第一次,人类有了通向最神秘莫测的大脑研究的科学线路图。在大脑中,分散在各处的神经元群所产生的电风暴汇聚成了思维之流。

第一条脑电图记录
微电极的协助
微电极的局限性
研究从单一神经元转向神经元群
多电极记录的“呼唤”

第二部分 信息输出:机器如何读取大脑信息

05 老鼠如何逃脱猫爪 :感知外部世界

为了证明我们的观点,我们决定向1982 年的惊悚片《火狐》学习。在电影中,演员克林特·伊斯特伍德利用一个头盔,设法从苏联偷到了一架秘密飞机。那个头盔能让他用俄语思考,而且不用动手就能驾驶飞机。或许我们也可以将大脑与一台机器连在一起,让机器服从大脑自发的动作意愿。

爱莎胡须的秘密
首要胡须的奥秘
多胡须的应答
感觉重组
清醒状态下的“标定实验”

06  解放奥罗拉的大脑 :意念控制

奥罗拉可以仅凭意念来玩电子游戏了,而不再需要使用自己的手臂。然而,更令人吃惊的事情正在发生:当奥罗拉的神经元直接控制机械手臂的运动时,她的大脑将机器同化到了她的神经元身体意向中——好像机械手臂是她自己身体的延伸。

奥罗拉,第一位人类受训者
脑机接口的设想
用意念喝水
用意念操控机械臂
马内实验破解人类大脑

07 只靠思想来完成的“丰功伟绩”:自我控制

只要奥罗拉继续让光标穿过目标,她便能得到一口果汁奖励,无论她的肌肉保持静止还是进行收缩。不过,当她发现不用动手臂也能得到自己渴望的奖励时,她就主动克制了自己的身体运动,只靠
思想来完成她的“丰功伟绩”。

生物反馈研究
严重残障病人的福音
需要多少神经元才可靠?

08  第三类皮质神经元伊多亚的伟大跨越:释放身体与大脑的无限可能

我们所有人,包括伊多亚,都静静地呆立着,充满敬畏地欣赏着屏幕上远在日本的机器人的脚步。机器人的每一步都是由几百毫秒前生命的原始电呼吸精心打造出来的。这些电呼吸就像神圣的天赋,它们来自一个欢快的灵长类大脑,而现在这个大脑得到了解放。

侵入性疗法与非侵入性疗法
猕猴两足行走训练
第一个由灵长类大脑控制的人形机器人
“月球行走实验”

09  在地球客厅中感受火星红色沙丘上的行走 :征服宇宙

我在想,自我是否能够通过在另一个星球上的机械设备,感受到那个陌生星球的表面?真到了那一天,我们的后代肯定无法理解,为什么之前生活在地球上的世世代代的人类会认为,坐在地球客厅的沙发上,想象在火星红色沙丘上漫步、感受冰冷的沙子被踩在脚下的感觉,会是非常惊人的举动。

人类与人造工具
身体图式与工具同化
工具改变身体意向
大脑与行为的因果关系
工具同化的惊人影响

第三部分 信息输入:反馈信号如何作用于大脑 

10 第六感磁老鼠与未来实验:思维塑造与脑联网

在我们的脑对脑界面中,无论“探索鼠”胡须所感知的孔是宽还是窄,“解码鼠”只能依靠自己大脑中与“探索鼠”触觉体验相关的部分电生理转换,来判断自己的胡须永远触及不到的孔的直径。每当“解码鼠”判断正确,并因为良好的表现而获得奖励时,“探索鼠”会因为成功地将知觉体验传递给了同伴而获得额外的奖励。

脑联网的畅想
从“信息输出”到“信息输入”
饱受争议的大脑植入物
惹恼机器人专家的小白鼠
脑电刺激应用于脑机接口
与动物直接对话

11 潜伏着的“尼斯湖水怪”:内外时空的碰撞

在某一时刻,两种时空信号,即传入的周围信号与大脑内部动态状态的相遇,会产生真正的电活动模式,这便是一个人对世界的知觉。相应地,相同的周围感觉刺激会遇到两个不同的内在动态状态,产生完全不同的活动模式,因此会引发同一个被试不同的知觉体验。

永不停歇的电的海洋
绘制老鼠的清醒 — 睡眠周期
知觉体验
大脑中的时空碰撞

12 越过边界:思维之波的星际穿越

在足球比赛中,球员在球场上进行互动,遵循着底层结构,直逼身体极限。防守和进球的机会出现在他们面前,他们要基于比赛模型作出最优决策。从始至终,系统都保持着相对性,并根据在时间与空间不断变化的背景中出现的集体想法采取行动。

复杂性系统的行为预测
大脑越过“边界”
大脑更似媒介
“相对性”概念仍饱受争议

结语 脑机接口与人类未来

通过意念控制人造工具,人类会出现在各种遥远的环境中。如今听起来无法想象的事情,在未来会司空见惯。从海洋深处到超新星禁区,甚至到我们体内细胞空间的微小裂缝,人类的触及范围最终将追上我们探索未知领域的野心。

莉吉娅的等待
机器接管地球?
医疗前景:重新行走项目与外骨骼
社会前景:“大脑校园”与数字化永生

译者后记 

TOP书摘

美妙的大脑交响乐

  从宇宙大爆炸到人脑的形成

  当第一声小提琴声穿过大厅的大理石墙壁,忽隐忽现地从二楼婉转而下,来到空无一人的医学院大楼门前时,我不禁被这荒谬的情形搞得有些惶然。毕竟,没有一位医学院的学生会想到,自己会在半夜、在最繁忙的急诊室的短暂休息时间里,聆听协奏曲。然而,我最初的局促很快被音乐的美妙所取代。它呼吸着全新的生命,充满了希望与冒险,氤氲在热带潮湿的夏夜里。也许这就是为什么25 年前吸引我的琴声,时至今日仍令我记忆犹新,仍会让我惊叹那曲调的优美。一个个没有意义的音符汇聚成了最热切的请求,召唤我追随这迷人的音乐。我三步并两步地跑上楼梯,悄悄地穿过狭长的走廊,站到了礼堂的入口。那里正在演奏伟大作曲家瓦格纳(Wagner)的歌剧《帕西法尔》(Parsifal)的序曲“晚祷”。它美得令人无法抗拒,我随着音乐进入了礼堂。

  我失望地发现,礼堂里灯火通明,枝形吊灯全都亮着,只有一位上了年纪、衣着讲究的绅士在忙着修理出了故障的投影仪。显然,这些年来这台投影仪放了太多的幻灯片,已经不堪重负了。除此之外什么都没有。礼堂建于20 世纪20 年代末,圣保罗大学医学院的礼堂都堪称节俭的典范。在礼堂的前面,是一个像盒子一样规整的舞台,这就是教授传道授业的空间。一张沉重的木头桌子、一把牢固的椅子以及一面相当陈旧、可以滑动的黑板便构成了教师的“一亩三分地”。学生的座椅被笔直地排成一排一排的,这使得一些学生可以占据最后一排,其中也包括我。坐在最后一排是为了在没完没了的上课期间避开教授充满权威感的凝视。

  而此刻,我打开讲礼堂门的声音惊扰了这位梳着平头、穿着质朴的实验室工作服的老人。他转向我,轻松地微笑了一下,然后招了招手,好像我们已经认识多年,另一只手还在忙着修理投影仪。令人沮丧的是,我在讲台上看到了证明这位先生与那晚的独奏会有关的证据。那里有一个唱机的转盘、两个看起来挺昂贵的扬声器,还有一些柏林爱乐乐团的唱片封面。

  “进来吧,欢迎!我们有红酒和奶酪。今晚投影仪有点问题,不过我们很快就会开始。顺便说一下,我是塞萨尔· 艾瑞尔教授(César Timo-Iaria),教这门课。”

  在他话音未落时,投影仪发出了金属的“砰”的一声鸣响,一束光照在了礼堂的屏幕上。还没等我答话,他便迅速地改变了位置,站到了投影仪的后面,看起来很像站在船桥上、久经战争考验的海军上将。在将吊灯调暗,等着第二张唱片开始播放时,他饶有兴致地拨弄着幻灯片——我只有童年时在旧社区的狭窄街道上踢足球时看到并体验过这种乐趣。我独自坐在黑暗中,歌剧《唐怀瑟》中的歌唱在整个礼堂里回响,屏幕上掠过与医学课毫不相关的图像。我感到激动并被深深吸引,以前听任何讲座都没有这样的感受。

  “您教的是什么课?”我问。

  “生理学概论。”艾瑞尔教授答道,他没有看我。

  为了确认自己没听错,我又看了看屏幕。就像所有的医学院学生一样,我在几年前就学过必修的生理学概论。在我看来,我看到的图像与以前学过的内容完全不匹配。

  “怎么会?”我继续问。

  “什么怎么会,孩子?”他反问道,依然没有看我。

  “这怎么会是‘生理学概论’?我的意思是,您的幻灯片,它们只是在展示……”

  “是吗?”看起来,我的不适让他感到好笑,似乎以前这种情况发生过很多次。“继续说,告诉我是什么让你这么吃惊。”

  音乐、这些图像以及半夜里在又大又空的礼堂里讲课的老人……一切都显得那么不合常理。我有些困惑:“您展示了一些星星、银河的图像。看,现在屏幕上是一个电波望远镜。这怎么可能是生理学概论课?”

  “嗯,这只是起点。一切都起源于那里,在大约150 亿年中,从宇宙大爆炸发展到人脑的形成。这真是一段漫长的旅程,不是吗?我会来解释我的意思。”

  我看着艾瑞尔教授一张张地展示幻灯片,这似乎是无尽的视觉巡游:闪烁的螺旋形银河、处于萌芽阶段的星团、顽皮的星云、具有反叛性的彗星以及爆炸的超新星。它们描绘着人类心智从无到有的史诗。音乐伴随着这些图像流淌,它似乎是宇宙众神创作的。行星形成了,大部分土地光秃秃的,没有生命的迹象。然而,几十亿年前,至少一个有趣的实验导致了生物化学及遗传机制的出现,使生命得以维持与繁衍。之后,生命开始变得繁盛,努力求生,永远充满了希望与志向,并通过许多完全不可预知的路径开始进化。

  接下来,我看到了第一对原始人类伴侣肩并肩行走的图像。那是数百万年以前的一个夜晚,在非洲中部,也就是今天埃塞俄比亚的阿法尔沙漠。正当瓦格纳歌剧中的唐怀瑟拒绝长生不老,只想体验凡人的生活,最终从维纳斯那里获得自由时,我看到人类的祖先,第一次仰望无边无际的天空,充满了敬畏与恐惧。他们的大脑中电波涌动,搜寻着我们今天还在苦苦思索的问题的答案。我意识到,这些胆怯而好奇地看着天空的原始人类,开始了漫长而宏伟的接力赛。从那以后,世世代代的人类都在寻找有关存在、意识以及周围一切的意义的本质解释。这是记录科学诞生的历史的最好方法。显然,这位站在船桥上、经验丰富的海军上将非常了解如何驾驶他的轮船。

  《唐怀瑟》中朝圣者的合唱渐渐消失,宣告那是最后一张幻灯片。我们俩都陷入了肃穆的沉默中。幻灯片显示的是人类大脑的侧面图。几分钟后,艾瑞尔教授打开灯,从讲台上走下来,静静地朝礼堂的大门走去。在离开之前,他转过身,好像要说再见,但他说的是:“这是生理学概论的第一课,但我忘了告诉你,我还教授神经生理学的高级课程。明天晚上是第一堂课,我强烈建议你也来听听。”

  我还没有从刚才的震撼中回过神来,只问了一句:“我需要做什么才能选修这门课?”艾瑞尔教授笑了笑,在走出礼堂时,他给我——他终身的学生,提出一个如此毫不费力的选课建议:“只要跟随着音乐就可以了。”

  神经元投票与“人性”的产生

  在过去的25 年里,我一直牢记艾瑞尔教授不可动摇的信念,音乐和科学方法代表了人类思维无尽辛劳与痛苦的最令人震惊的副产品。这也许可以解释我为什么会选择将聆听一种非常不同的音乐,即脑细胞创作的“交响乐”作为我毕生的事业。

  从技术角度来说,我是一名系统神经生理学家。至少这是同事们对我和我的学生们工作方式的定义。我们在北卡罗来纳州达勒姆(Durham)的杜克大学神经工程研究中心的实验室中工作。用通俗的话来说,系统神经生理学家就是研究各种神经回路背后的生理原理的人。这些神经回路由大脑中数千亿神经细胞构成的神经纤维组成。在复杂程度与连接的广泛性方面,大脑网络使得人类发明的任何输电网络、计算网络或机械格栅都相形见绌。它使每个单一的脑细胞,即神经元,能够与其他几百或者几千个神经元建立直接的联系。由于神经元具有独特的形态,因此它们可以通过细胞触点,即突触,专门接收和传递微小的电化学信息。神经元使用突触与其他神经元进行交流。正是通过这些广泛连接、具有高度活力的细胞网络,大脑才能完成它的主要任务:作出大量专门化的行为。这些行为共同定义了我们常常引以为傲的“人性”。

  从人类开始出现直到今天,这些微小的神经网络便通过控制大量毫伏级的神经放电,为我们每个人以及每位祖先的每一次思考、创造、破坏、发现、掩饰、交流、征服、引诱、屈服、爱、恨、快乐、悲伤、团结、内省、欢欣提供了条件。如果其他人类事业没有占用“奇迹”一词,那么在神经科学家报告大脑回路所创造的奇迹时,我认为全社会应该授予他们使用这个词的专有权。

  对于像我一样的大多数系统神经生理学家来说,我们的终极追求是破解产生丰富人类行为的神经生物放电的生理机制。然而,在追求这个神圣终极目标的过程中,过去200 年间的神经科学将太多的努力投入到了哪个脑区负责哪种功能或行为的激烈争论之中。其中一个极端是激进的局部论者,他们是“颅相学之父”弗朗兹· 加尔(Franz Gall)的继承人(不过他们通常不承认这一点)。他们坚定地认为,大脑的不同功能是由高度专门化、相互区隔的神经系统产生的。而另一端是人数较少、但发展迅速的一群人,我称之为分布论者。他们认为,人类大脑依赖的不是独特的专门化,而是诉诸于分布在各个脑区的多任务神经元群体,从而实现每个目标。为了证明这种观点,分布论者提出,大脑的生理机制类似于选举,分布在不同脑区的大量神经元参与了投票,虽然投票的数量很小而且不等,但最终产生了人类的行为。

  在过去200 年中,局部论者和分布论者都将大脑皮层作为他们无休止的争论的主战场。大脑皮层是大脑最外层的组成部分,位于头盖骨的下面。这场论战可以追溯到颅相学家宣称他们能够通过触摸头皮,感受颅骨的凹凸起伏来判断人的主要人格特征的时代。他们认为,颅骨的凸起反映了某个皮层区域不成比例的增大,由此会产生诸如喜爱、骄傲、自负、虚荣或野心等特质。根据这种观点,每个人的情感和行为都是由特定的皮层区域产生的。

  ……

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