20世紀80年代興起的賽博朋克科幻小說經常展示“神經植入物”，用於將計算裝置直接連線到大腦：“我的頭腦裡儲存了數百兆位元組，”威廉·吉布森的小說《捍衛機密》的主人公宣稱，這部小說後來被拍成了一部完全被人遺忘的、由基努·裡維斯主演的電影。
當時新興的這種型別的精妙之處（在兆位元組仍然令人驚歎的年代）在於，它將低俗的復古文化與似乎僅略微超出最靈巧的生物醫學工程師能力的技術並置在一起。儘管這些植入物無法在麻省理工學院或加州理工學院複製出來，但最優秀的賽博朋克作家給人的印象是，這些發明或許有一天會成為現實，甚至可能在讀者自己的有生之年出現。
然而，在過去的十年裡，最初在賽博朋克文學中喚起的技術的更現實的近似物已經出現。一位大腦內部植入電極的人僅僅使用神經訊號就控制了一條假肢手臂，這是允許人類繞過因肌萎縮性脊髓側索硬化症或中風而癱瘓的肢體的序幕。研究人員還在研究如何向另一個方向傳送電訊號，提供反饋，使靈長類動物能夠真正感知到機械手臂正在觸控的東西。
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但是，在為大腦和其餘神經系統製造替代部件方面，我們能走多遠？除了控制電腦游標或機械手臂之外，這項技術是否會在某種程度上真正使大腦大約 1000 億個神經元發揮作用，成為被盜工業間諜資料的秘密儲存庫，或另一個借用自吉布森的情節元素？
人會變成機器嗎？
今天的好萊塢編劇和未來學家，作為最初的賽博朋克傳統的技藝較差的繼承者，已經接受了這些神經技術。《奇點臨近》計劃於明年上映，是一部基於計算機科學家雷·庫茲韋爾的觀點的電影，他認為人類最終將透過將他們大腦的數字藍圖轉移到計算機或機器人中來實現某種形式的永生。
然而，像麥克斯·海德羅姆那樣的化身被困在電視機裡（或者作為複製貼上到最新的人形機器人中的工作）而獲得永生的夢想，與勒內·笛卡爾在 17 世紀思考身心二元論時相比，仍然只是稍微不那麼遙遠。自我的整體轉移——對日出紅潤色調的感知的基於機器的複製品，不斷變化的內在情感調色盤以及其餘的混合物，這些混合物結合在一起以喚起構成有意識生命本質的獨特主觀世界意識——仍然只不過是小說作家的道具。
此外，圍繞意念控制假肢的熱潮掩蓋了人們對神經功能基本機制的知識匱乏，而這些機制是向大腦輸入資訊以重現現實生活中的賽博朋克體驗所必需的。“我們對高階認知的腦回路知之甚少，”加州理工學院的神經科學家理查德·A·安德森說。
那麼，大腦和機器之間的互動實際上可以實現什麼呢？從第一次腦電圖實驗到腦控手臂和游標的進步，是否暗示了一種不可避免的、確定性的發展程序，即使不是朝著庫茲韋爾式的奇點發展，也可能是朝著將至少一些高階認知資訊輸入大腦的可能性發展？我們是否可以下載《戰爭與和平》，或者，致敬《駭客帝國》，下載一本關於如何駕駛
直升機的操作手冊？將“See Spot run”這句話銘刻在對轉移過程無意識的人的記憶中怎麼樣？僅僅是“see”這個詞呢？
這些問題並非完全是學術性的，儘管一些愛開玩笑的人可能會認為，買一副老花鏡並以老式的方式做事會更容易。即使通往大腦皮層的管道永遠是科幻小說中的虛構事物，但瞭解光子、聲波、氣味分子和皮膚上的壓力如何轉化為持久的記憶，將不僅僅是賽博朋克娛樂。基於對這些基本過程的瞭解而構建的神經假體可以幫助中風患者或阿爾茨海默病患者形成新的記憶。
原始的侵入方式已經存在於成千上萬人的頭骨內。失聰或重度聽力障礙的人攜帶人工耳蝸，這種裝置可以用麥克風拾取的聲音刺激聽覺神經——加州大學聖巴巴拉分校的神經科學家邁克爾·S·加扎尼加將這種裝置描述為人類第一個成功的神經假體。作為人工視網膜的電極陣列正在實驗室中研發。如果它們有效，可能會進行調整以賦予人類夜視能力。
將 Amazon.com 直接連線到海馬體（一種參與形成記憶的神經結構）的更宏偉的目標需要尚未發明的技術。詳細清單將包括在神經元和顱外世界之間建立可靠連線的方法——以及將數字版的《戰爭與和平》翻譯成神經元彼此交流的語言的方法。透過研究腦機介面的領先工作，可以找到關於如何做到這一點的線索。
文字對您大腦的影響
將文字侵入大腦需要考慮是否將電極直接插入組織，這種障礙可能會使神經植入物對殘疾人以外的任何人都不切實際。正如近一個世紀以來所知，無需開啟顱骨即可檢測到大腦的電活動。看起來像鑲有電極的游泳帽可以傳輸來自癱瘓患者的訊號，從而可以在螢幕上打字或實際瀏覽網路。德國蒂賓根大學的尼爾斯·比爾鮑默是這項技術的領先開發者，他斷言，使用來自顱骨外部的磁訊號對大腦皮層進行反覆試驗的刺激，以及使用電極帽記錄哪些神經元被啟用，可能能夠定位單詞“see”或“run”。一旦映射出來，這些區域就可以再次被激發，以喚起這些記憶——至少在理論上是這樣。
一些神經技術專家認為，如果特定的詞語駐留在大腦中的特定位置（這是有爭議的），那麼找到這些位置可能需要比有線游泳帽所能提供的更高的精度。正在進行的侵入性植入實驗之一可能會導致所需的高精度定位。神經訊號公司的菲利普·R·肯尼迪和他的同事設計了一種記錄神經元輸出的裝置。這種連線讓中風患者僅透過思考就向計算機發送訊號，計算機將其解釋為，例如，母音，然後可以透過語音合成器發聲，這是形成完整單詞的一步。這種型別的腦機介面最終也可能用於啟用單個神經元。
更精確的連線可能由奈米級纖維提供，直徑為 100 奈米或更小，由於其尺寸以及電氣和機械特性，可以輕鬆地接入單個神經元。堪薩斯州立大學的 Jun Li 和他的同事們設計了一種刷狀結構，其中奈米纖維刷毛充當刺激或接收神經訊號的電極。Li 預見這是一種刺激神經元以緩解帕金森病或抑鬱症、控制假肢手臂，甚至在長時間太空飛行期間彎曲宇航員肌肉以防止在零重力下發生的不可避免的肌肉萎縮的方法。
學習語言
要實現輸入微積分課本的幻想——甚至在度假前插入《旅行者法語》——就需要對編碼語言和其他神經表徵的大腦訊號有更深入的瞭解。
解開神經程式碼是神經科學中最嚴峻的挑戰之一——並且，借用弗洛伊德的話來說，它很可能為理解意識鋪平一條康莊大道。理論家們提出了許多不同的觀點來解釋數十億神經元和連線它們的數萬億突觸如何相互傳遞有意義的資訊。最古老的觀點是，程式碼對應於神經元產生的電壓尖峰的放電率。
雖然速率程式碼可能足以應對某些刺激，但它可能不足以啟動馬塞爾·普魯斯特或理查德·費曼，提供瑪德琳蛋糕的心理螢幕截圖或微分方程教科書的概念抽象。最近的工作集中在每個尖峰之間的時間間隔的精確計時（時間程式碼）以及神經元如何一起放電的不斷變化的模式（群體程式碼）。
一些有助於下載到大腦的幫助可能來自一項為期十年的努力，即構建人工海馬體以幫助記憶缺陷患者，這可能具有幫助研究人員深入瞭解編碼過程的附帶好處。南加州大學和維克森林大學之間的合作致力於為這種形成記憶的大腦結構製造替代身體部件。海馬體位於大腦顳葉深處，在中風或阿爾茨海默病中會受到損害。受損海馬體的電子旁路可以恢復創造新記憶的能力。該專案由國家科學基金會和國防高階研究計劃局資助，最終可能會更進一步，增強正常記憶或幫助推斷高階認知所需的特定程式碼。
由南加州大學的西奧多·W·伯傑和維克森林大學的塞繆爾·戴德懷勒領導的兩個研究小組正在準備一份技術論文，表明人工海馬體從生物器官手中接管了鞏固大鼠按下槓桿以獲得一滴水的記憶的任務。通常，海馬體發出訊號，這些訊號被傳遞到負責儲存體驗的長期記憶的皮層區域。在實驗中，一種化學物質暫時使海馬體喪失功能。當大鼠按下正確的槓桿時，來自感覺皮層和其他區域的電輸入透過微晶片傳輸，科學家們說，微晶片發出了海馬體本應傳送的相同訊號。人工裝置模擬海馬體輸出的演示將標誌著朝著推斷底層程式碼邁出了一步，該程式碼可用於在運動皮層中建立記憶——或許有一天可以解開甚至更高級別行為的密碼。
如果可以確定“See Spot run”這句話的程式碼——或者甚至是一整本技術手冊的程式碼，那麼理論上，可以將它們直接輸入到海馬體（或皮層區域）中的電極陣列中，從而喚起《駭客帝國》中的場景，其中駕駛直升機的說明透過手機下載。人工海馬體研究假設了一種稍微更平淡的場景。“[美國國防部]通常喜歡使用的例子是駕駛 F-15 的編碼資訊，”伯傑說。
人工海馬體相關研究設想的神經輸入模型的表面簡單性可能會提出比它回答的更多問題。這樣的植入物會覆蓋現有的記憶嗎？“See Spot run”這句話的程式碼對我來說會和你一樣嗎？或者對於一個以庫爾德語為母語的人來說呢？海馬體程式碼是否會與提供適當上下文（句子的語義框架）的其他電路乾淨地融合？“See Spot run”會被誤解為洗衣事故而不是小跑的狗嗎？
一些神經科學家認為，除非理解超越單純的電壓尖峰的讀取，否則大腦的語言可能無法被破譯。“僅僅獲得大量訊號並試圖理解這些訊號的含義並將它們與特定行為相關聯是無法解決問題的，”洛桑瑞士聯邦理工學院神經科學和技術主任亨利·馬克拉姆指出。給定神經元或神經元群體的輸入可以透過許多不同的途徑產生特定的輸出——例如，海馬體將感覺輸入轉換為長期記憶。“只要有很多不同的方法可以做到這一點，你就還差得遠，”他說。
馬克拉姆領導的“藍腦計劃”是一項始於 2005 年的嘗試，旨在利用基於超級計算機的模擬技術，在分子和細胞水平上對大腦進行逆向工程——首先對較簡單的鼠腦進行建模，然後對人腦進行建模，以揭示神經過程的潛在功能。後一項任務有待於一臺計算機，該計算機的處理能力比當前的超級計算機提高 1000 倍以上。實際的程式碼，當它出現時，其結構可能與今天教科書中出現的內容大相徑庭。“我認為將會有一個概念上的突破，這將對我們思考現實的方式產生重大影響，”馬克拉姆說。“這將是一件非常深刻的事情。這可能就是為什麼這是一個如此棘手的問題。”
弄清楚如何將資訊輸入大腦所涉及的挑戰表明，神經技術可能取得多大進展存在實際的、可預見的限制。形成構成記憶的大量連線的任務與磁化硬碟上的一組位元的任務截然不同。“像書本內容這樣的複雜資訊將需要大量腦細胞在神經系統非常大的區域內的相互作用，”布朗大學的神經科學家約翰·P·多諾霍觀察到。“因此，你無法處理所有這些細胞，讓它們在連線中儲存正確型別的資訊。因此，我想說，根據目前的知識，這是不可能的。”
向大腦寫入資訊可能仍然是一個迷失在網路空間中的夢想。但看似不可能的事實並沒有讓多諾霍對反向輸入資訊以及為重度殘疾人開發腦控假肢的最終期望感到悲觀。他一直是在大腦中植入多電極陣列研究的領導者，該陣列可以提供從皮層到假肢手臂甚至輪椅的直接線路。
多諾霍預測，在未來五年內，腦機介面將使癱瘓的人能夠拿起杯子喝水，並且在遙遠的未來，這些系統可能會得到進一步改進，以至於上脊髓損傷的人可能會完成不可思議的事情，甚至可以用假肢打籃球，這將使 20 世紀 70 年代的電視劇《無敵金剛》成為現實。即使沒有通往大腦的資訊管道，殘疾患者和基礎研究人員仍然可以從較差的替代品中獲益。奧地利格拉茨技術大學的格特·普夫特舍勒和他的同事去年報告說，一名脊髓損傷患者僅僅透過思考就能夠穿越虛擬環境，從模擬街道的一端移動到另一端。杜克大學的米格爾·A·L·尼科萊利斯是腦機介面領域的另一位先驅，他已開始探索連線到腦控假肢裝置的猴子如何開始發展運動感覺意識、運動和觸覺，這與進入其生物身體的感覺輸入完全分離。“有一些生理學證據表明，在實驗過程中，他們感覺與機器人的聯絡比與自己身體的聯絡更緊密，”他說。
這些研究最重要的後果可能不是神經植入物和機械手臂。透過“藍腦計劃”或其他模擬獲得的對中樞神經系統發育的理解，可能使教育工作者瞭解教育兒童的最佳方式，並確定應在何時應用給定的教學技術。“你可以構建一個教育發展計劃，該計劃旨在在儘可能短的時間內讓你獲得某些能力，”馬克拉姆說。如果他是對的，那麼對神經植入物和大腦模擬的研究將比從 20 世紀科幻小說文學中汲取的將大腦視為快閃記憶體盤的夢想產生更有意義的實際益處。
注意：本文最初以“侵入大腦”為標題發表。