在南加州大学洛杉矶校区 412C 湿实验室里，维杰·斯里尼瓦桑（Vijay Srinivasan）正用一根长长的、看起来很邪恶的针头戳着一块大约只有指甲盖大小的 the 鼠脑切片。他周围堆满了盘绕的电缆和巨大的显微镜。玻璃瓶和装满液体的塑料培养皿与备用键盘和计算机芯片争夺着空间。这个地方看起来更像一个电脑维修店，而不是一个世界级的实验室。
“看看这个，”伯杰的同事，南加州大学神经工程中心的设计工程师斯里尼瓦桑说。一根细细的导线连接着针头和一个连接到一台方盒子信号发射器上的微小硅芯片。他按了一下开关，屏幕上就出现了一系列小波形——对我来说，这些波形毫无意义。我在想，他让我看什么？
斯里尼瓦桑解释说，芯片正通过针头向脑切片发送电脉冲，脑切片又将这些脉冲传递到我们正在观看的屏幕上。“波形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完全相同。”更简单地说，这块大约一毫米见方的铁灰色晶圆片正在与活体脑细胞“对话”，就像它本身就是身体的一部分一样。
特德·伯杰（Ted Berger），斯里尼瓦桑的老板，也是这一堆电缆和电极的幕后策划者，安排了这次演示，以提供对脑科学未来一窥端倪的机会，虽然微小却意义深远。他相信，芯片与活体细胞“对话”的能力是实现可植入机器的重大第一步，这种机器能够流利地“说”大脑的语言——一台能够恢复脑损伤患者记忆，或帮助他们形成新记忆的机器。
如果伯杰的宏伟愿景得以实现，治疗阿尔茨海默病将如同升级一块硬件一样简单。不再需要复杂的药物治疗及其令人沮丧的副作用。只需外科医生植入几个计算机化的脑细胞，问题就解决了。
在走廊的另一头，伯杰在他的办公室里站起来迎接我。这位身材魁梧、头发灰白、56岁的伯杰，体格健壮得像一位年长的运动员，举止则像一位不容置疑的首席执行官。我问道，一块硅片真的能取代脑细胞吗？“我不需要一个宏大的心智理论来解决本质上是信号处理的问题，”他说。“修理工不必了解音乐就能修好你坏掉的 CD 播放器。”
伯杰继续说道，芯片在“说什么”大家都可以猜测——谈话的内容并不重要。这是那位创造了世界上第一款记忆植入原型的人所说的机械式对话，它基本上是大脑海马体中对记忆形成至关重要的脑细胞的硬件版本。这枚芯片旨在以其他假肢替代缺失肢体或改善听力的方式，来取代受损的神经元。“如果我们能模仿大脑效率和力量的百分之十，那也将是巨大的，”斯里尼瓦桑后来告诉我。
伯杰的研究团队——汇集了来自全国各地的顶尖神经科学家、数学家、计算机工程师和生物工程师——到目前为止只成功复制了微量的脑活动。他们的芯片模型模拟了不到 12,000 个神经元，而人脑大约有 1000 亿个神经元。然而，该领域的许多研究人员表示，即使是如此小的数字也代表了神经工程学领域令人惊叹的成就。“这是一种能够改变世界的科学，”达特茅斯学院计算科学跨学科研究所教授、大脑科学教授理查德·H·格兰杰（Richard H. Granger, Jr.）说。“在我们有生之年，记忆复制将会实现，这将使我们能够理解思想是如何从组织中产生的——换句话说，理解意识究竟意味着什么。”
从边缘走向前沿
在一个温暖的夏末午后，伯杰带我走到外面，然后开着他那辆柠檬黄的捷豹敞篷车，载着我沿着圣莫尼卡高速公路行驶。我们正前往马里纳德尔雷的南加州大学信息科学研究所，距离 412C 湿实验室仅 30 分钟路程，那里的计算机程序员一直在帮助伯杰对他的芯片进行微调。伯杰边加速超过一辆 18 轮卡车边说，最大的挑战是使芯片完全双向化，使其能够像真正的细胞一样既能产生信号又能接收信号。
伯杰教授式的独白似乎与他浮华的风格格格不入。飞扬的头发，名牌衬衫，跑车——这一切都让他显得像一个互联网时代的百万富翁，而不是一个每天都想着大鼠大脑的研究员。“说实话，”他说，“人们对我们所做的事情的普遍反应是：哇，这太酷了，但你们真是疯了。”
伯杰已经习惯了这种声誉。他职业生涯的大部分时间都在他所在领域的边缘地带度过，而近年来，那个边缘却成为了最前沿。作为 20 世纪 70 年代哈佛大学生理心理学专业的年轻研究生，他发表了一篇关于眨眼的经典研究，发表在著名的《科学》杂志上，这让他成为了神经科学这一竞争激烈领域中一位不同寻常的天才。到 1976 年，26 岁时获得博士学位时，他已经发表了 10 篇论文，并获得了纽约科学院的奖项。但随着他在学术界地位的提升，他对同事们的普遍看法越来越感到不安。“当时的普遍想法是，你可以用药物或手术解决所有大脑问题，”伯杰回忆道。他在 20 世纪 80 年代开始开辟另一条道路。
当时，大多数神经科学家将大脑主要视为一个理解不透的生化相互作用的“沼泽”。然而，伯杰却着手将高级认知功能简化为一组基于神经元对各种刺激反应的数学方程——这些方程随后可以被编码到某种形式的假肢设备中。即使在日常交谈中，伯杰也似乎急于揭开大脑的神秘面纱。“它的细胞不过是直径 20 微米的漏水盐溶液袋，”他笑着说。
但除了他的职业抱负，最能激发伯杰独特愿景的是神经芯片的医学和治疗潜力。一台能够恢复记忆细胞功能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缓解。1999 年，这种可能性对他个人而言变得至关重要。在他应邀在全球各地发表演讲的同时，他的母亲突发中风，出现了典型的海马体损伤引起的奇怪神经系统症状。“她不会说话，但她会笑，会唱歌，”伯杰回忆道，他成长于纽约州波基普西，父亲是一名电气工程师。他母亲的病情以及 2005 年的去世，对他的工作产生了深远而深刻的影响。“这突然让我觉得我的研究不仅仅是一个有趣的实验室问题要解决，”伯杰说。“与其仅仅将（大脑芯片）视为解决神经科学的一大难题，我如今更多地是从提高中风、癫痫和痴呆症患者的生活质量的角度来考虑。”
根据阿尔茨海默病协会和美国国家衰老研究所的数据，目前估计有 450 万美国人患有阿尔茨海默病，每年花费约 1000 亿美元。“随着我这一代人年龄的增长，这些数字只会攀升，”伯杰说，他能信口道出阿尔茨海默病和其他困扰记忆的大脑疾病的可怕统计数据。此外，还有 530 万美国人是创伤性脑损伤的受害者，这可能引发各种影响海马体的神经系统功能障碍，包括记忆丧失、癫痫和帕金森病。
曾经难以吸引研究伙伴的伯杰，如今凭借其近期的实验室突破以及工作的医学潜力，已成为焦点人物。他现在领导着国家科学基金会的一个神经假体审查小组。作为一项研究大脑-计算机连接的国家项目的负责人，他吸引了国内一些最杰出的科学家加入了他的 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·马尔马里斯（Vasilis Marmarelis）为他的芯片开发了建模理论，目前正在大学洛杉矶的实验室进行实地测试，伯杰在那里指导神经工程中心。而全国知名的药理学专家萨姆·迪德勒（Sam Deadwyler）将于今年晚些时候在维克森林大学对活体大鼠的大脑进行芯片测试。伯杰已不再处于边缘。
融合心智与机器
科学家们日益增长的大脑基本结构测绘能力，已经催生了一些能够弥补受损感觉系统的机器植入物。例如，人工耳蜗为聋哑人带来了听力，人工视网膜也已进入患者试验阶段。
但迄今为止，在人类身上最引人注目的成就是布朗大学大脑研究员约翰·多诺休（John Donoghue）及其同事正在开发的一种神经传感器。当将其放置在大脑的运动皮层区域时，该传感器能够让四肢瘫痪者仅通过意念就能打开和关闭假肢手。这项名为 BrainGate 的技术，能够利用软件芯片中嵌入的算法，将来自大脑的电子信号（“我想移动这只手”）转化为运动活动。“可能性是无限的，”位于马萨诸塞州福克斯伯勒的 Cyberkinetics Neurotechnology Systems 公司（希望在 2009 年将 BrainGate 推向市场）的伊丽莎白·拉齐（Elizabeth Razee）说。
Cyberkinetics 的工作与伯杰的研究有相似之处。两者都将大脑信号转化为计算机可以解释和翻译的代码。但伯杰给自己设定了更艰巨的挑战。BrainGate 提供的是心智与机器之间单向连接：用户可以与计算机“对话”，但计算机不能反过来。伯杰的大脑芯片则双向运作，充当受损细胞之间的桥梁。
数学上模仿大脑功能——以及它用来交流情感和记忆等概念的内在语言——的挑战，因为大脑细胞以一种“秘密”的电信号代码进行交流而变得复杂。一个细胞通过电脉冲“告诉”另一个细胞，信息的含义取决于它们放电的时间和频率。这些时空模式使我们能够，例如，估计房间内物体之间的距离并绕过它们。
测量这些模式，并将结果以计算机芯片可以理解的术语进行编程，是约翰·格拉纳基（John Granacki）的工作内容。他是电路专家，也是伯杰在马里纳德尔雷 ISI 的跨学科研究团队成员。在前往格拉纳基办公室的电梯里，伯杰夸耀道：“这些人是真正的尖端人才。他们发明了互联网。”（实际上，格拉纳基后来向我解释说，他们在 20 世纪 70 年代托管了 Arpanet——即学术网络的原型——的西海岸部分，但差不多就是这个意思。）
当我们见到格拉纳基时，他穿着斜纹裤和一件熨烫挺括的纽扣衬衫，戴着一副下滑鼻梁的方形无框眼镜。我们刚一坐下，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，我感觉自己是房间里唯一一个说英语的人。
在过去的四年里，格拉纳基一直在努力开发能够将伯杰的方程转化为电脉冲的电路。最大的技术障碍是找出一种方法来减少晶体管产生的热量，以免芯片损伤健康的脑细胞。解决方案是创造一种更复杂的、与家庭台式电脑执行计算的数字电路相同的电路，但尺寸要小得多。
格拉纳基团队的高级电气工程师杰夫·拉科斯（Jeff LaCoss）递给我一个工作中的记忆芯片模型。它与我在 412C 湿实验室看到的一样，轻如鸿毛，放在我手里几乎感觉不到它的存在。拉科斯告诉我，这枚芯片模拟了 100 个神经元，它们可以单独接收来自活体脑组织的模拟信号，将其转换为数字信号，然后再将数字信号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，”拉科斯一边小心地看了一眼他的老板，一边谨慎地说。“但我想说，它基本上已经准备好了。”
少思考，多行动
尽管雄心勃勃并取得了近期进展，但伯杰和他的团队对大脑如何处理和分类信息的理解，并不比其他神经科学家好多少——他承认，这也是许多人批评他工作的原因之一。“他们告诉我我不了解记忆是什么，这是事实，”他一边说一边走向停车场。“他们问我如何替换我不了解的东西。”
伯杰的答案很简单：动手去做。今年晚些时候，伯杰在维克森林的同事将把一个更复杂的芯片版本连接到活体实验鼠身上，这些老鼠的记忆已被药物暂时禁用。如果这些动物的大脑对计算机提供的信号反应的规律性与 412C 湿实验室中的 the 鼠脑切片一样，那么这将是“一个划时代的时刻，”伯杰说。“我们将证明，我们可以用一颗微芯片取代大脑中一个丧失了高级认知功能（如记忆）的核心部分，”他说。
在四年内，该团队的目标是将芯片植入猴子（其大脑与人类更接近）的颅骨下方。伯杰预测，能够真正替代受损记忆细胞的假体设备的人体试验将在 15 年内实现。
不出所料，伯杰对大脑的野心往往会引发争议。认知这个朦胧的领域，是我们接收和记忆知识的部分，长期以来似乎不可能在实验室中被复制。毕竟，人类之所以独特，是因为我们没有两个人以相同的方式思考——这是个人联想模式、个人记忆和思维过程的结果，这些过程本身就拒绝了机器式的标准化。
这就是为什么“仿生大脑”的概念让许多关注伯杰工作的人感到不安。篡改记忆和意识等基本过程，可能会扰乱人们的身份认同。例如，未来的大脑芯片会不会让人回忆起从未发生过的事情？或者为了腾出空间给新的记忆而摧毁健康的记忆？“我们可能会破坏一些好的记忆，”格拉纳基承认。
华盛顿大学圣路易斯分校伦理与人类价值观研究中心副主任、医生沃尔特·O·沙利克（Walt O. Schalick）也表达了同样的担忧，他认为像伯杰这样的芯片可能会从根本上改变一个人的身份。他警告说，改变我们记忆的连接方式，可能会微妙地扰乱我们的联想模式，从而暗示性地改变定义我们个人个性的“思维结构”。他认为，这主要是因为即使是最好的海马体细胞模型，也不能告诉我们大脑运作的所有信息。“建模甚至模仿都不是替代，”沙利克说。“伯杰博士现阶段的实验只提供了一座不完整的桥梁。”
他以 20 世纪早期人们对心脏功能的认知为例，当时大多数人认为它不过是一个泵。然后，他们发现它还是一个内分泌器官，需要几十年的工作来调整我们对其功能的理解。“那些将这项工作视为可以上传大脑的步骤——就像插入一张新的 SD 卡，里面包含你的微积分一信息，然后就可以考试——的人，还有很长的路要走，”他说。
另一个问题是，研究人员发现，像阿尔茨海默病这样的疾病造成的损害发生在大脑的许多地方。因此，修复大脑电路中的一个断开部分可能不够。“保持怀疑态度很重要，”达特茅斯的格兰杰说。“我们可能会制造出一个看起来像手臂的东西，但它却无法拿起一杯咖啡。”
与医生共进晚餐
尽管伯杰的工作在伦理上意义重大，但并不乏愿意资助这项工作的人。国家科学基金会和美国国家卫生研究院为伯杰项目的年度 300 万美元研究预算提供了资金。五角大楼的海军研究办公室和国防部高级研究计划局（五角大楼的实验技术部门）也提供了资金。人脑-机接口研究对于未来的士兵具有明显的潜力：例如，想象一下士兵身上连接着微型芯片，能够提供红外夜视功能。
与此同时，伯杰的研究一度被视为科幻小说，如今已逐渐进入主流。2003 年，伯杰成立了 Safety Dynamics 公司，位于亚利桑那州图森，该公司运用他的神经模型技术开发了一种名为 Sentri 的声学识别系统。该系统能够区分枪声与汽车气缸错位的响声——这对于警力不足的警察部门监控犯罪猖獗的社区非常有用。芝加哥和墨西哥蒂华纳的警察部门现在都在使用该设备，而凤凰城、洛杉矶和俄克拉荷马城的当局也对其表示出了兴趣。
然而，我们距离为自己配备个人记忆升级仍然有数年，甚至数十年之遥。但是，格兰杰说，“是时候认真对待这个想法了。”
伯杰把我送回南加州大学校园。第二天早上他要去参加另一个会议，这次是在巴黎。尽管很满意自己备受瞩目，伯杰说他怀念在实验室里捣鼓的日子。“有时候我只想回到纯粹的研究，”他承认。“但看到它开始回报，还是很不错的。”
我问伯杰今晚有什么计划。他要去他位于帕洛斯弗迪斯半岛山顶的家，俯瞰太平洋。“我答应我的女儿金伯利（Kimberly）和我的妻子，这次我要早点回家，”他说，我点了点头，想象着关于家庭作业和家长教师协会会议的谈话。但我错了。伯杰的妻子罗伯塔·布林顿（Roberta Brinton）是南加州大学一名研究绝经期雌激素替代疗法治疗阿尔茨海默病患者的顶尖研究员，她也曾作为伯杰团队的一员，在硅芯片上培养活体脑细胞。突然间，这位男士的精力和决心在我面前豁然开朗：他从一位周游世界的脑科学家的身份中解脱出来，回到家——继续讨论大脑。“我们晚餐时会讨论假肢，”他耸耸肩说道，然后走向他的汽车。
