只需几次电击，普通老鼠就能变成机器鼠，评论家们便迅速得出结论，普通人类也将很快转变为机器人。两年前，纽约州立大学布鲁克林分校下州医疗中心的科学家们引发了一场媒体狂潮，他们展示了在脑中植入电极的老鼠，可以通过遥控玩具车的方式穿越障碍物。研究人员使用一台配备无线发射器的笔记本电脑，刺激控制胡须感觉的皮层细胞，并通过电击老鼠的愉悦中心来强化这些信号。瞧！通过这个简单的装置，团队创造了活体机器人。
世界各地的出版物宣称，科幻小说中那些熟悉的手术植入设备，能电子监测和操控我们的思想，即将成为现实。《经济学人》警告说，神经技术可能“颠覆人类的本质”，《纽约时报》专栏作家威廉·萨菲尔则担心，神经植入物可能让“控制组织”入侵我们的大脑。更积极的一面是，麻省理工学院的人工智能专家罗德尼·布鲁克斯在《技术评论》中预测，到2020年，植入物将让我们能够进行“思想激活的谷歌搜索”。
好莱坞翻拍的《满洲候选人》再次引发了远程控制士兵变政客的幽灵。事实上，资助机器鼠团队的国防高级研究计划局的官员曾表示，半机械人士兵可以通过脑芯片控制武器系统——或者被控制。“将电极植入健康人体是我们近期不会做的事情，”前DARPA脑机研究项目负责人艾伦·鲁道夫说，“但20年前，没人想到我们会将激光植入眼睛。这个机构对可能性持开放态度。”
当然，这就引出了一个问题：这些未来场景究竟有多现实？要实现真正精确的读心和控制，神经科学家必须掌握将流经大脑的电化学脉冲转化为感知、记忆、情感和决定的语法或规则集。破译这种所谓的神经编码——可以将其视为大脑的软件——是许多致力于脑机接口研究的科学家的终极目标。“如果你是一名真正的神经科学家，这就是你想玩的游戏，”机器鼠研究团队的共同负责人约翰·查宾说。
查宾将神经编码与另外两个伟大的科学奥秘——宇宙的起源和地球生命的起源——并列。神经编码可以说是这三者中最重要的。原则上，其解决方案可以极大地扩展我们治疗受损大脑和增强健康大脑的能力。它能让我们用人类能力编程计算机，帮助它们变得比《2001：太空漫游》中的HAL和《星球大战》中的C-3PO更聪明。神经编码也可能代表着所有哲学难题中最深奥的——心身问题——的关键。我们最终将理解我们头颅中这团皱巴巴的胶状物是如何产生一个具有个人身份感和自主性的独特意识自我的。
除了是科学中最重大的奥秘之外，神经编码也可能是最难解决的。尽管在过去的一个世纪里，神经科学家们已经学到了很多，但在弄清楚脑细胞究竟如何处理信息方面，他们进展甚微。“这有点像在研究了身体一百年后说，‘你知道睾丸是产生尿液还是精子吗？’”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的神经科学家V. S. 拉马钱德兰说，“我们的观念仍然非常原始。”
神经编码常被比作数字计算机操作系统所依赖的机器码。像晶体管一样，神经元充当开关或逻辑门，吸收和发射电化学脉冲，即动作电位，这类似于数字计算机中信息的基本单位。但大脑的复杂性远超任何现有计算机。一个典型的大脑包含1000亿个细胞——几乎和银河系中的星星一样多。每个细胞通过突触与多达10万个其他细胞相连。细胞之间的突触浸泡在调节信号传输的激素和神经递质中，并且突触不断地形成和溶解，随着新经验的出现而减弱和增强。
假设每个突触每秒处理一个动作电位，并且这些交互代表大脑的计算输出，那么大脑每秒执行至少一千万亿次操作，几乎是最好的超级计算机的一千倍。英格兰开放大学的神经生物学家史蒂文·罗斯说，在单个突触的尺度之下或之上，可能会发生更多的计算。“大脑可能利用一切可能的方式来传递信息。”
乐观主义者回想起，上世纪中叶，一些生物学家曾担心基因编码过于复杂，无法破解。然而，1953年，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森揭示了DNA的结构，研究人员迅速证实，双螺旋结构介导了一种惊人简单的遗传编码，控制着所有生物的遗传。神经编码不太可能揭示出如此优雅、普适的解决方案。杜克大学神经假体研究员米格尔·尼科莱利斯说，大脑“适应性如此强，如此动态，瞬息万变”，以至于“使用‘编码’这个词可能不恰当。”
尼科莱利斯相信科学终有一天会揭示大脑所有的信息处理技巧——或者至少是足以在神经假肢方面为瘫痪、失明或残疾人带来巨大改进的技巧。然而，他认为我们思想的某些方面可能仍然不可侵犯，因为我们最有意义的思想和记忆是用一种独特于我们每个人的代码或语言书写的。“总会有些神秘之处，”尼科莱利斯说。
如果真是这样，坏消息是脑芯片永远不会足够复杂，让我们瞬间学会新语言，或者像《大众科学》所预言的那样，只需“想着说话”就能与朋友进行“精神电话”对话。好消息是，我们并没有站在《波士顿环球报》所称的
“《黑客帝国》式的赛博朋克反乌托邦”的边缘，在那个世界里，我们都变成了机器人类，被那些“强加虚假记忆”和“扫描偏离思想”的植入物所控制。
考虑到这项实验只是40年前一次重大媒体事件的小规模重演，机器鼠引发的所有随意推测都显得颇具讽刺意味。1964年，耶鲁大学神经科学家何塞·德尔加多站在西班牙斗牛场上，一头脑中植入无线电电极阵列（或称“刺激接收器”）的公牛向他冲来。当德尔加多按下他手中无线电发射器上的一个按钮时，公牛便停下了脚步。德尔加多按下另一个按钮，公牛便顺从地转向右边，小跑离去。《纽约时报》称赞这一事件是“通过外部大脑控制有意改变动物行为的最引人注目的演示”。
德尔加多还对猫、猴子、黑猩猩甚至人类精神病患者进行了刺激接收器实验。他展示了他可以像操控木偶一样拉动患者的四肢，并诱导欣快感、性唤起、嗜睡、健谈、恐惧和愤怒等感觉。在他1969年的著作《思想的物理控制：迈向心理文明社会》中，德尔加多极力赞扬了脑刺激技术在抑制暴力攻击和其他适应不良特质方面的潜力。
德尔加多的工作——部分由五角大楼资助——引发了人们对政府将公民变成机器人的担忧。他驳斥了这种“奥威尔式的可能性”，指出该技术仍然过于不可靠和粗糙，无法实现精确的思维控制。他写道，进展的主要障碍是“我们目前关于信息编码的知识……是如此初级”。德尔加多现年89岁，居住在圣地亚哥，他仍然关注脑机接口的进展。他说，脑刺激的潜力“尚未完全开发”，因为神经编码仍然“非常难以解开”。
在德尔加多鼎盛时期，神经科学家认为大脑只采用一种单一、简单的编码方案，该方案是英国神经生物学家埃德加·阿德里安爵士在20世纪30年代发现的。阿德里安从青蛙和鳗鱼身上分离出感觉神经元后，发现随着感觉刺激强度的增加，神经元的放电速率也随之增加，最高可达每秒200次。在接下来的几十年里，实验证实所有动物的神经系统都采用这种传递信息的方法，称为速率编码。研究人员还证明，特定神经元专门执行极其特定的任务，例如看到垂直线、听到特定音高的声音或弯曲手指。这些发现共同表明，控制大脑可能只是向正确的脑细胞簇输送正确电击的简单事情。
事实证明，事情并非如此简单。最近的研究已经颠覆了关于大脑如何处理信息的两个基本假设。其中之一是，神经元被视为只专注于执行特定任务的“无人机”。细胞可以被重新训练以执行不同的工作，从面部表情切换到手指弯曲，或者从看到红色切换到听到吱吱声。加利福尼亚大学旧金山分校的迈克尔·默泽尼奇说，我们的神经回路不仅在童年时期，而且在我们的整个生命中都“大规模且持续不断地”变化着，他的研究揭示了神经元的可塑性有多强。
神经科学家也在质疑放电率是否是脑细胞唯一的表达方式。速率编码效率极低。它们类似于一种只通过声音音量变化来传递信息的语言，这意味着大脑本质上是嘈杂和浪费的。真正信号的衡量标准是细胞放电率从每秒2次激增到50次，而连续脉冲之间的时间间隔变化被认为是无关紧要的。但正如一些遗传学家怀疑我们基因组中充斥的“垃圾DNA”实际上具有隐藏功能一样，一些神经科学家也认为信息可能潜藏在脉冲之间波动的间隙中。这类被称为时间编码的方案暗示，少量脉冲也可能传递重要信息。
另一种时间敏感编码涉及神经元群体以精确同步的方式放电。一些证据表明，同步有助于我们集中注意力。如果你在一个嘈杂的鸡尾酒会上，突然听到附近有人谈论你，你能够窃听那段对话而忽略周围所有其他对话，这可能就是细胞同步放电的结果。“同步是增强信号强度及其对下游其他神经元影响的有效方式，”萨尔克研究所计算神经生物学家特里·塞吉诺夫斯基说。他推测，连接神经元的大量反馈回路使它们能够在传递消息进行进一步处理之前同步放电。
还有加利福尼亚大学伯克利分校的沃尔特·J·弗里曼所倡导的混沌编码。几十年来，他一直主张，人们对单个神经元和动作电位给予了过多的重视，其原因与其说是经验性的，不如说是教学上的。动作电位“组织数据，易于教学，而且屏幕上脉冲的即时性数据非常引人注目。”但弗里曼说，脉冲最终只是“跑腿小弟”；它们负责将原始感官信息传送到大脑，但随后更微妙、更大规模的过程立即接管。
弗里曼认为，认知的最关键组成部分是突触电流产生的电场和磁场，这些场不断地在大脑中波动。这些场是混沌的，因为它们隐藏着一种复杂的秩序，并且对微小的影响极其敏感——即所谓的蝴蝶效应。声音进入耳朵并触发一系列动作电位，这些电位将流经皮层的电活动波推向一种特定的混沌模式，或称吸引子。其结果是惊人的精确，几乎是瞬时的理解。“你拿起电话，听到一个声音，”弗里曼说，“在你甚至不知道这些词的含义之前，你就知道你在和谁说话，以及她的情绪状态。”
尽管这些替代速率编码的方案尚未得到证实，但加州理工学院神经科学家克里斯托弗·科赫认为，由于对大脑如何处理信息知之甚少，“目前很难排除任何编码方案。”科赫和伊扎克·弗里德（他既是神经科学家，也是加州大学洛杉矶分校医学院的执业神经外科医生）最近发现了曾被认为是不可信的编码方案的证据。这种方案曾被贬低为“奶奶细胞”假说，因为在其归谬法版本中，它暗示我们的记忆库为我们思想中的每个人、地点或事物（如奶奶）分配一个单独的神经元。大多数理论家认为，这样一个复杂的概念必须由大量细胞来支持，每个细胞对应物体的一个组成部分（发髻、双焦点眼镜、皮迷你裙）。
然而，弗里德和科赫发现了一些神经元，它们的行为非常类似于祖母细胞。他们的受试者是癫痫病患者，他们的脑中暂时植入了电极，以提供可指导手术治疗的信息。研究人员在向患者展示动物、人物和其他事物的图像时，监测了电极的输出。一名患者杏仁核中的一个神经元仅对三张截然不同的比尔·克林顿图像产生反应——一张线条画、一幅总统肖像和一张团体照。另一名患者皮层中的一个细胞以类似的方式响应《辛普森一家》中人物的图像。在未来的实验中，科赫和弗里德计划向患者展示他们祖母的照片，看看他们是否能找到真正的祖母细胞。
科赫说，我们的大脑应该为我们经常思考的人和事物分配一些细胞，这在直觉上是合理的。他补充说，如果人们意识到神经元远不止是简单的“阈值”开关，当来自其他神经元的传入脉冲超过某个特定水平时就会放电，那么他的发现可能就不会那么令人惊讶。一个典型的神经元会接收来自数千个其他细胞的输入，其中一些会抑制而非刺激神经元的放电。神经元反过来可能通过复杂的正或负反馈回路来刺激或抑制其中一些相同细胞的放电。
换句话说，一个单一的神经元可能不像一个简单的开关，而更像一个定制的迷你电脑，其复杂程度足以区分你的祖母和摩西奶奶。如果这种观点是正确的，那么有意义的信息可能不仅仅通过成群的神经元齐声“尖叫”来传递，而是通过一小群细胞“低语”，也许是以一种简洁的时间编码。科赫说，无论神经技术如何发展，在大脑的嘈杂声中识别这些微弱的信号都将是“极其困难的”。
在喧嚣中探测低语的努力因大脑的即兴灵活性而变得更加复杂。对运动皮层（身体运动的基础）的研究表明，大脑为新情况发明了全新的编码方案。在20世纪80年代，研究人员在猴子的运动皮层中发现了神经元，当猴子朝特定方向移动手时，它们的放电率达到峰值。当手即使稍微偏离其所谓的“偏好方向”时，这些细胞的放电率并没有完全停止，而是与偏离角度成比例地减小。
包括匹兹堡大学安德鲁·施瓦茨领导的团队在内的几个团队，试图利用这些发现为瘫痪患者创建神经假体。他们已经证明，植入猴子运动皮层的电极可以检测到伴随特定手臂运动的信号；这些相同的信号——经过算法处理后——可以启动机器人手臂的类似运动。如果猴子的手臂被绑住，猴子会通过纯粹的意念来控制机器人手臂——但使用的神经信号集完全不同。这些发现与其他研究结果相吻合，表明神经元的编码行为在不同情境下会发生变化。“你所瞄准的有点像一个移动的目标，”施瓦茨说，“如果你在某个时间点对某事进行估计，那并不意味着它会保持不变。”
神经编码的可变性对神经假体设计者来说不一定是坏消息。事实上，大脑发明新信息处理方案的能力被认为是人工耳蜗成功的原因，这种耳蜗已植入超过5万名听力受损者。商业版本通常采用电极阵列，每个电极将对应不同音高的电信号传导到听觉神经。就像老式电话合线一样，电极不仅可以刺激单个神经元，还可以同时刺激多个神经元。
当人工耳蜗于20世纪80年代中期推出时，许多神经科学家认为它们的设计粗糙，预期效果会很差。但这些设备的效果足够好，一些失聪者可以进行电话交谈，尤其是在经过一段适应期后，在此期间对通道设置进行调整以获得最佳接收效果。患者的大脑以某种方式弄清楚了如何最大限度地利用这些奇怪的信号。
当然，大脑弥补科学家无知的能力是有限的，正如其他神经假体表现不佳所表明的那样。人工视网膜，一种模仿眼睛信号处理能力并刺激视神经或视觉皮层的光敏芯片，已在少数盲人受试者中进行了测试，他们通常“看到”的只是光幻视，或称闪光。就像施瓦茨的猴子一样，一些瘫痪的人类已经学会通过植入大脑的芯片向计算机发送指令，但这些假体仍然缓慢且不可靠。
尽管如此，人工耳蜗的惊人效果——连同大脑适应性和机会主义的其他证据——激发了人们对脑机接口前景的乐观情绪。“这与我们认为我们将取得成功的原因非常相关，”南加州大学洛杉矶分校的特德·伯杰说，他正在领导一个旨在创建可植入式脑芯片以恢复或增强记忆的项目。“我们不需要一个完美精确的记忆细胞模型，”他说，“我们可能只需要接近，大脑的其余部分就会适应它。”
到目前为止，伯杰的实验仅限于培养皿中的大鼠脑切片。十多年来，他将电极植入海马体（在学习和记忆中发挥作用）的切片中，并记录神经元对各种电刺激的反应。他的观察使他坚信时间编码；海马体细胞似乎不仅对传入脉冲的速率，而且对其时间都极其敏感。“时间编码的证据是无可争议的，”伯杰说。他希望在三年内，能有模仿海马组织信号处理特性的芯片可用于活体大鼠的测试。
伯杰大胆预测，总有一天，像他这样的芯片可能会恢复中风患者的记忆能力，或者帮助士兵像《黑客帝国》中的角色一样，即时学习复杂的战斗程序。但在某些方面，伯杰相当谦逊。他承认他的记忆芯片不能用于识别和操控特定的记忆。他的芯片可以模拟“大脑特定部分的神经元如何将输入转换为输出。这与我说我可以在特定的脉冲序列中识别你祖母的记忆是截然不同的。”要实现这种读心术，科学家们必须编写一本“词典”，将特定的神经模式翻译成特定的记忆、感知和思想。“我不知道这是否不可能，”伯杰说，“以我们目前所知，这当然是不可能的。”
“在21世纪，甚至22世纪，都不要指望它，”亚利桑那大学的布鲁斯·麦克诺顿说。麦克诺顿曾用多达50个电极阵列，监测大鼠在迷宫中奔跑时海马体中的神经元。一旦大鼠学会导航迷宫，它在每次奔跑迷宫时，其神经元都会以相同的模式放电。值得注意的是，当大鼠在迷宫中辛苦奔跑一天后入睡时，同样的放电模式也常常出现；大鼠可能正在梦见迷宫。可以说，这种模式至少部分地代表了大鼠对迷宫的记忆。
麦克诺顿强调，同样的迷宫在不同的大鼠中会产生不同的放电模式；即使是同一只大鼠，如果迷宫被移到不同的房间，模式也会改变。因此，他怀疑科学能否编制一本字典，用于解码与人类记忆相对应的神经信号，这些信号肯定比大鼠的记忆更复杂、更易变且更具情境敏感性。麦克诺顿认为，充其量，人们可以通过多年监测一个人的所有神经元输出，同时记录她所有的行为和她自我描述的思想，为一个人构建一本字典。即便如此，这本字典充其量也是不完善的，并且必须不断修订以适应个体的持续经验。这本字典不适用于任何其他人。
德尔加多在30多年前的《思想的物理控制》中就暗示了这个问题，当时他提出了意义的棘手问题。他说，有了新的改进型刺激接收器和对神经编码更深入的理解，科学家们或许可以根据我们的神经输出，确定我们正在感知什么——比如一段音乐。但任何可想象的技术都无法足够精微地辨别我们的感知在我们身上唤起的所有记忆、情感和意义，因为这些都源于“每个人的经验历史”。你听到一首过时的流行歌曲，而我听到的是我的结婚歌曲。
这是许多神经科学家都同意的一点：每个个体的独特性是科学试图理解和控制思想的根本障碍。尽管所有人类都共享一种“普适的运作模式”，弗里曼说，但即使是同卵双胞胎也有不同的生活经历，因此拥有独特的记忆、感知和偏好。支撑我们自我的神经活动模式在我们的一生中不断变化，随着我们学习下棋、阅读《查拉图斯特拉如是说》、坠入爱河、失业、中彩票、离婚、服用百忧解。
弗里曼认为，开发相对简单的神经假体的前景很好，例如改善盲人视力或让瘫痪者向计算机发送简单指令的设备。但他怀疑我们大脑的复杂性和多样性排除了更宏伟的项目，例如读心术。如果人工智能工程师能够成功地构建一个基于与我们类似神经编码方案的真正智能机器，“我们也无法读取它的思想，”弗里曼说。我们甚至我们的半机械人后代将永远“超越老大哥，对此我非常感激。”
硬件障碍
去年，工程学期刊《IEEE Spectrum》宣称，磁共振成像和脑电图“正让我们更接近一个读心术成为可能的世界。”实际上，用这些扫描仪检测特定思想，就像站在体育场外，听着人群的喧嚣，试图窃听棒球比赛中个别对话一样。
同样，一种称为经颅磁刺激的技术，通过磁场激发特定大脑区域，已被吹捧为有望抑制抑郁症、提升艺术能力并以其他方式改变我们的思想。但这种外部刺激方法永远不会精确到例如植入或删除特定记忆，尽管《全面回忆》和《美丽心灵的永恒阳光》等电影有所暗示。大多数神经科学家认为，要用大脑自己的语言与大脑对话，需要植入电极。
在过去十年中，能够接触单个脑细胞的微型电极技术取得了飞跃。研究人员已经制造出数百甚至数千个电极的阵列，每个电极都可以监测一个独立的细胞。然而，通过颅骨上的孔洞植入电极存在感染和脑损伤的风险，因此不允许在健康的志愿人身上进行测试。电极还会不断地与神经元失去接触；在任何一个时刻，一个100个电极的阵列可能只与其中一半的细胞接触。“获得稳定的连接，”美国国立卫生研究院的神经假体专家威廉·希特德克斯说，“仍然是一个问题。”
—J. H.
