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【脑波】宇宙中哪里都是电磁波…

脑电图是一项应用广泛的医学诊疗手段和脑功能研究方法。可除此之外,它对人类探索意识的本质也有着深远的影响。作为世界上第一个无伤害性测量活体大脑信号的方法,脑电图的历史和人们试图了解自身的努力交织在一起。而它和电子计算机的结合又为意识领域的新发现提供了广阔的前景。让我们一起走进脑电波的世界,开始一场探索意识之旅吧。

贝格尔医生的秘密实验

1924年夏天的一个普通的傍晚,德国医生贝格尔(Hans Berger)从心理诊所出来没有马上回家,而是来到附近一所不起眼的小房子里,进行他的“私人”实验。一个病人已经等在那儿了。“泽德尔(Zedel)先生,你好!”打过招呼,贝格尔让病人坐在椅子上,拿起两个连着电线的金属片,一片放在病人的前额,一片放在后脑勺上面,固定好。他让泽德尔闭上眼睛,然后打开电流计,密切注视着记录仪上的指针变化。指针开始缓缓地运动起来……

贝格尔医生已经有许多个傍晚是在这小房子里度过的了。在诊所里,他是一个相当严格的主任,照章办事,行事谨慎,同事们都觉得他不大好接近。他们都不知道,实际上贝格尔对行政管理和经营诊所并不热衷,他真正感兴趣的问题是人如何产生意识。主任的身份让他对这种实验有所顾虑,因为身负着许多社会和家庭的责任。如果工作因此受到影响,也就更无法专注于自己的兴趣了。所以这一系列实验都是秘密地摸索着进行的。

在那个年代,对意识的研究基本上还属于哲学讨论的范围,远没成为像物理那样系统的“科学”。人们可以通过观测天体运行推导物理定律,却不知道观测什么来找到意识的机制。当时的生理学家已经发现大脑的主要元件是神经细胞,但它们和人的感觉、运动、情绪、思想等等有什么关系,一点线索也没有。解剖学家们虽然可以打开一个脑袋告诉你哪里是什么结构,却不得不承认意识纯粹是活人的游戏。你我都有各自的心理活动,可我们如何知道对方在想什么呢?或者先退一步,我们如何知道我们“可以”知道对方在想什么呢?也难怪有些哲学家坚持说意识根本不是由身体产生的了。

贝格尔虽然也和同时代的人一样充满迷惑,但他显然认为意识不是脱离身体而存在的。早期在耶拿大学(University of Jena)当讲师的时候,他就做过一系列的尝试性实验。他记录过人的心跳,脑血管血流量,甚至试过改变温度来观察这些怎么影响人的心理变化。先忍一忍你对这种疯狂实验的嘲笑吧,在人们发现神经电信号的秘密之前,出现各种各样的猜测都情有可原啊。可以想见这一系列尝试全进了死胡同。后来贝格尔的兴趣转移到了大脑的电流上。虽然二十几年后人们确定了电信号就是神经系统传递信息的主要方式,可贝格尔选择这个方向并不是什么天才性的预见,却是因为一个近乎伪科学的理由:他相信心灵感应的存在。他甚至猜想这种感应是类似电报的东西,可以在人和人之间互相传播。

虽然贝格尔最后没能证实他的“人体电报”,不过因此选择脑部电流,真有点歪打正着了。他更早的时候跟着心理学界的前辈卡顿(Richard Carton)研究过动物的脑电流,没找到什么可靠的结论,毕竟动物有没有意识都存在相当的争议。可是对人做实验的话,又不能打开脑袋来插上电极;靠当时的设备,从头皮上能测到的电流实在太微弱了。这也是他为什么转而测量心跳之类的原因之一。

时隔二十几年,贝格尔当上了心理诊所的主任。正赶上一战结束,诊所接收到一大批脑部有外伤的病人。其中一些颅骨受损,头皮下只有一层薄薄的组织覆盖着大脑。仍然惦记着电生理的主任先生暗喜,真是天赐良机啊,从去掉了颅骨阻碍的大脑或许能测到足够强的电流?于是贝格尔就开始邀请自愿参与实验的病人,在他的“秘密小房间”里寻找线索。他使用的只是当时最普通的弦线电流计,灵敏度一般。为了保守秘密,不能大张旗鼓地动用经费添置仪器,这样粗略的测量有没有结果谁也说不准。如果记录仪还是没动静,他也不大知道下一步该往哪走。因此每一次实验那个小小的指针都让人神经紧绷。

1924年7月的这个夏夜也不例外,贝格尔医生打开电流计以后摒住了呼吸。指针颤了一下,开始上下移动……继续移动……移动……记录的纸带向前挪着,指针的笔头在上面画出了黑色的线条……十几秒钟过去,纸带上出现了一条清晰的曲线!泽德尔一直乖乖地闭着眼睛坐在那里,不知道贝格尔医生心里早已一片狂喜:终于找到你了,大脑中的电流!

脑电图:意识研究的里程碑

如果换作是我可能第二天就把实验结果送去发表了。还好不是我,贝格尔受到的良好的科学训练和天生的小心谨慎让世界上第一例脑电波成为了真正出色的研究。从1924年7月6日第一次成功探测到人体脑部电流,到1929年4月第一篇关于脑电波的论文发表,贝格尔继续秘密地实验了将近5年。是的,5年。他花了这么长时间,不是为了攒下一堆图纸(1000多张!其中他的大儿子贡献了73张)等着将来卖钱,而是不厌其烦地排除了这种电流的其他来源。换句话说,这种特征的电流不是从心脏的神经上传来的,也不是皮肤表面的神经传来的,也不是从别的什么地方传来的——它确确实实来自大脑。他把自己发现的测量方法称为脑电图(electroencephalogram,简称EEG)。

而更重要的是,贝格尔还从这上千张图里发现了一个规律:人在清醒状态并且闭着眼睛的时候,从后脑勺测得的电流呈现出一种周期性的起伏,每秒钟大约8-12次;一旦睁开眼睛,这种节奏就消失了,代之以更快的起伏,每秒钟大约13-30次。他把这两种频率分别命名为阿尔法(α)和贝塔(β)。

后继的研究者们证实了贝格尔的发现是可重复的。当然他们不用再像诊所主任那样偷偷摸摸,也不用再费心寻找被打飞了颅骨的病人,而可以使用最先进最灵敏的仪器在顶级的实验室里对普通人展开测量。但是不管你用什么设备,只要是脑功能正常的人都可以得到“闭眼睛的”阿尔法和“睁眼睛的”贝塔。兴奋的人们争相建立自己的脑电图研究室,把贝格尔誉为脑电图之父,把他的发现誉为里程碑。

相信这两个称号都不过分。首先人们终于找到了和意识直接相关的生理信号。睁眼和闭眼代表了大脑活动的两种状态:睁着眼的时候外界的信息不停地从眼睛传给大脑,大脑不停地进行分析,并作出反应,因此处于一种活跃状态;闭上眼信息量大大减少,大脑不用再这么高度“警惕”,就转入了一种放松状态。这和脑电图上贝塔波动快,阿尔法波动慢是对应的。虽然这不能完全驳倒“意识不依赖身体而存在”的说法,但为“意识具有生理机制”提供了极有力的证据。意识的研究不再是哲学家们的口水战,而开始向脚踏实地的实验科学迈出了一大步。

其次,脑电图的整个测量过程对人体是无伤害的。在贝尔格之前,人们对脑功能的认识大部分都来自于疾病。比如布洛卡通过给失语症的病人做手术,发现了一个主管语言的大脑区域。只是这样的机会可遇不可求,你怎么知道啥时候能等来一个“颞叶橫回皮质区”受损的病人来让你开颅检查听觉系统呢?或者如果一个人只是嗅觉失灵,你觉得他会冒着脑残的危险让你拉上一刀看看嗅觉区域出了什么问题吗?更何况这些功能不是由一个区域全权负责的,而是许多区域共同合作的结果。大脑更像一个动态的网络,而不是一堆相互隔离的“格子间”。通过在头皮各个区域布满电极,我们可以测量整个头颅表面的脑电波,并且观察它们随时间的变化,得到许多手术检查看不到的信息。关于这当中的技巧,可以另外写一打书了,我们还是先接着说“第三”吧。

第三,脑部的电流不是无章可循的“乱码”,而是具有特定频率的波,这个发现给了后人很大启发。人们又逐步找出了另外一些频率的脑电波和它们对应的大脑状态:熟睡的时候频率大约每秒3次,称为德尔塔(δ);困倦、冥想或被催眠的时候,频率在每秒4-7次,称为西塔(θ);在进行复杂的思想活动或者情绪波动的时候,对应的频率是每秒26-100次,称为伽玛(γ)。另外还有一种特殊的波,只在一个掌管运动的区域探测得到,称为μ(读作谬),其频率和阿尔法相近。嗯,事情变得更有意思了。有了这些知识,医生可以在手术之前先通过脑电图预诊一下病人是什么功能出了问题,为进一步诊断脑肿瘤,癫痫,神经退行性疾病等等找到方向;心理学家可以在做行为实验的同时察看与这些行为相对应的频率的脑波变化,从而找出大脑控制行为的规律。总之,对人类脑波的“解码”永远充满了想象力和挑战性。

第四,……算了,这样“第”下去又可以写一打书了,我们还是直接跳到最吸引人的一点吧。虽然脑电图是最早的直接探测意识活动的无伤害方法,却未必是最好的。当今世界,人们测量大脑活动已经可以准确定位到整个脑的任何位置,这让只探测头皮外部电波的脑电图望尘莫及。 然而另一个技术的飞快发展,重新点燃了人们发掘脑电图的兴趣。贝格尔于1941年去世,没能等到1946年电子计算机的生日。那个外形奇怪,闪闪发光的庞然大物诞生的时候,也没有人会把它和脑电图联系在一起。可是今天它们牵起手来的时候,世界的面貌也许将迎来又一次翻天覆地的变化。

脑-机界面:让意识的翅膀自由飞翔

让我们将时间快进到1999年。一个世纪过去了,人们对意识是什么的兴趣丝毫未减。除了哲学家们仍然不歇的口水仗,电影导演们也把自己的思考搬上了大银幕。这一年《黑客帝国》风靡全球,世界各地的观众和尼奥在虚拟的意识世界经历了一番神奇的旅行。其中一段,尼奥来到预言师的家里询问自己的命运,看到屋里有个孩子在玩耍。那孩子盯住手里的一把勺子,勺柄居然就自己慢慢变弯了。尼奥大惊,孩子把勺递给他说:“试试看,你也可以做到的。只要记住一点,弯曲的不是勺子,而是你脑中的意念。”此刻银幕前的你,是否想过如果自己是尼奥,能不能把勺子也弄弯呢?

时间继续快进到2007年。这一年的金球奖颁给了一部纪实性的法国片,《潜水钟与蝴蝶》。主人公鲍比在中风后的昏迷中醒来,听见医生在问他的名字,可自己根本不能发出声音。医生见他没反应,转身走开,鲍比急得想大喊,想挥手,结果任何努力都失败了,医生一直走出了病房。鲍比发现自己陷入了比植物人还悲惨的境地:植物人身体完好但没有意识,而自己意识清醒,能看能听,全身的感觉都很灵敏,却除了左眼没有任何地方能动。他就像被“锁”起来的灵魂,身体成了一个活的坟墓。能看见亲人朋友的担心和关切,却不能回复他们一个拥抱;没有表情来表达自己的喜怒哀乐,没有话语来表示自己的意愿;哪里痒了就更惨,不但没法抓也没法叫别人来抓,鼻尖上停着个苍蝇也只能任凭它爬。如果不眨眼睛,别人都无法判断这个人是否还有意识存在。这种无以名状的痛苦都没法告知别人,说得更残忍一点,连想结束这种痛苦都自杀无门。这个时候的鲍比,一定特别想拥有那个孩子一样的超能力,用意念去改变外面的世界吧?

鲍比的故事是一个真实的“闭锁综合症”病例,眨动眼皮是他和外界交流的唯一途径。他靠着眨眼将自己被“锁住”的经历写成了一本书,并最终搬上了银幕。如果不是鲍比的坚持,外人也许意识不到这种生不如死的痛苦有多可怕,也不会主动去关注这种相对罕见的病人。好在这个时代我们的技术已经具备了接受挑战的实力,已经有人开始行动了。

既然病人的大脑和感官是完好的,问题的关键就在于我们怎样从外界来“读取”他的意识。这让人联想到神叨叨的巫婆,伸开手指罩在别人的头上,嘴里乌鲁鲁地念出他们不可告人的秘密。现实中上哪找这么一个婆子呢?哈,脑电图,脑电图是我们的不二人选。首先它就有比巫婆还多的手指——上百个电极。其次它连接着比巫婆还聪明的脑子——电子计算机。我们早就离开贝格尔那个用记录纸和指针来绘制曲线的年代了,软件程序可以瞬间完成脑波分析需要的计算量,跟上病人意识活动的速度。概括起来,就是用脑电图仪把大脑电信号传递给计算机,由计算机分析出大脑指令并指挥机器壁来完成人的意愿。因为这套方案把人脑和计算机连在一起,就被称为“脑-机界面”技术。

你也许会问,我们为什么不用更准确一点的可以定位到大脑内部的方法呢?障碍就在于测量的时间。使用其它能够空间定位的方法,完成对整个脑部的扫描都要以秒计算。可你觉得作一个“抓痒”的决定需要几秒钟吗?并且我们前面也提到了,大脑往往是以网络化的形式工作的,即使定位到了正确的活跃区,它在网络中充当什么角色目前还没有好的解码方法,至少不如脑电图中对频率的分析那么高效。万一病人一时尿急,而我们的“巫婆”久久不能决定“他这块区域活动了,是想吃饭呢还是想小便呢?”,那多糟糕……所以,还是脑电图更能胜任这种需要实时监控的任务。

好了,技术上的问题解决了,接下来的工作就全看我们怎么八仙过海,找到正确“解码”大脑活动的方法了。前面介绍了一些脑波频率对应的功能,不过把医学诊断的那一套直接搬过来还很不够。因为日常生活中大脑要处理的信息比实验室和诊室里的情况复杂得多,实际的脑电图是各种频率脑波的混合物。比如很可能一个阿尔法和一个伽玛同时传到了头皮的某个点,它们的频率发生了叠加,出现了和已经知道的标准波形都不相像的混合波。这时我们怎么来提取混合物里的信息呢?

别忘了,脑电波既然是一种波,就应该具备波的共性。而对波的共性最有发言权的,是物理学。早在19世纪初叶,物理学家们就开始尝试把混合波的各种成分分开研究,称之为频谱分析。频谱频谱,按照频率绘成的图谱。如果我们画一条横坐标轴来表示频率的大小,再用纵坐标来表示每个频率对应的波强度,就得到了波强度的频谱。这样做的好处是可以分开监控每个频率的波——这不正是我们想要的吗?如果把上面的混合波分解成频谱,不就可以看到阿尔法和伽玛各自如何变化的了吗?不就可以推测出它们各自对应的功能如何变化的了吗?

至于如何从混合波计算出每种频率上的强度,早已在19世纪由一个叫傅立叶的法国数学家解决了。真是太好了,我们竟然找到了一个现成的方法可以移植到脑电图分析中来。当然还有一些其它的路子,不过既然频谱已经在物理和工程领域发展了近两百年,羽翼颇丰,就自然受到了广泛的应用和关注。

最后一个难点就是人机的配合需要一个磨合期。不同的人即使完成相同的任务,表现出来的大脑频率也会千差万别。因此虽然有从德尔塔到伽玛的分类法,那都是很笼统的对功能的概括,我们需要具体问题具体分析。电脑得学会适应它的人类“伙伴”,找出他做某件事情的时候,哪个频率上的波强度发生明显变化。

我们通过一个例子来看看“巫婆”究竟本事如何吧。2007年一个英国和芬兰和合作小组在“计算智能与神经科学”(Computational Intelligence and Neuroscience)杂志上发表了他们的研究成果。他们让四肢瘫痪的病人玩一个移动小球的游戏。准备的时候,屏幕上会出现一个箭头,指向左边或右边的柱子。当球出现在屏幕中央时,病人就想象自己抓紧左手或右手的拳头,左右取决于箭头的方向。一台用于脑-机界面的电脑在一旁实时监控,分析出病人想象的是左手还是右手,然后指挥屏幕上的小球向相应的柱子移动。一开始计算机需要摸索病人的脑波特点,所以会出现错误的情况。每次游戏病人有十次机会,如果十次之内能把球移到正确的柱子就算赢了,超过十次就算输,重新开始下一次游戏。参加实验的一共有六个病人,每个人的游戏时间都相同。在这段时间内,如果他们总是第一次就能把球移到正确的位置,预计最多能玩27次游戏。 实验结果,他们赢得游戏的次数分别是15、10、8、3、1、9。你觉得这个结果怎么样?

在对闭锁综合症的病人应用脑-机界面的时候,小游戏中的柱子可以换成一串字母,病人控制鼠标移向不同的字母来发出指令。不过从目前研究得到的实验结果看来,怎样更精确地控制鼠标,缩短人机磨合期,还有挺长的路要走。但不管怎样,脑-机界面毕竟给闭锁病人的解放带来了一丝曙光。希望它得到成功应用的一天早日到来,希望病人在屏幕上拼出的第一句话不再是“我想死”,希望所有的意志都不再受痛苦的捆绑自由飞翔。人类,真的可以实现用意念弄弯一把勺子的科学幻想吗?也许答案就在不远的前方。

终极未来:谁控制谁?

虽然脑-机界面研究的初衷是为了救死扶伤,其发展前景却远不止于此。已经有科技公司瞄准了这项技术的广阔市场,致力于开发“脑电波对仗”的游戏。也许不久我们就可以坐在沙发上,比一比谁的脑电波更“强大”,光靠集中注意力赢下一场乒乓球或者坦克对战。

更奇妙的也许是对虚拟人生一类游戏的改进。和大脑相连的计算机不光读取大脑活动,而且还把游戏中的信号逆向传递给大脑,从而引起真实的感官。比如你可以和游戏里的人握手,计算机把模拟触觉的信号传给大脑管理手部的区域,就产生了和现实中握手一模一样的感觉。你还可以和电脑里的人说话,在房间里呼吸到野外的空气,或者喝下一杯并不存在的热咖啡。那时候,模拟人生和真实人生,差别有多大呢?

除了游戏,脑-机界面还可以用于机械和交通工具的自动控制。人工智能技术已经可以制造出会自动避让障碍物的汽车,轮椅等。如果加上脑-机界面的指挥,让我们的坐骑和我们“心有灵犀”,指东它不往西,指西它不往东,这个世界会不会太完美了点?我们甚至可以采取逆向信息传递的方法来避免错误指挥而肇事的危险:当具有人工智能的坐骑探测到左边有障碍物的时候,就把这个信号通过界面传回大脑,阻止大脑做出左转的错误判断。哎哟!慢着……如果坐骑可以改变你的判断,那么是它在控制你还是你在控制它?

那么我们也得换个角度放开想象,如果真有一天计算机逆向信号传递成为了现实,看看世界会变成什么样子:意识信号在人和人之间来回传递,人们争着对别人实行“精神控制”;虚拟世界和现实世界的信号混作一团,我们都成了黑客帝国里的尼奥;机器的智能和人的智能争相控制对方,实践着阿西莫夫的预言……这样的世界,美好吗?

就像一百年前的贝格尔医生想不到脑电图会在今天得到如此应用,今天的我们也可能想不到脑-机界面会发展成什么样子。但是意识和理性是我们人类和其他动物的区别所在,未来就掌握在自己手里。也许你已经想出了关于这一切的另一种科幻解释?那么我说完了,该你了。


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