“沃森先生，到這裡來！” 亞歷山大·格雷厄姆·貝爾在 138 年前透過電話說出了這些第一句話。隨著這句話，他開創了電信革命，最終為我們帶來了手機、網際網路以及跨越各大洲的近乎瞬時的語音、文字和影片交流。
然而，言語可能是有限的。一些抽象的概念和情感可能難以用語言表達。某些殘疾剝奪了人們充分的溝通能力，即使他們的思維在其他方面仍然完好無損。
神經工程師花費了數十年的時間來開發克服這些障礙的方法。被稱為腦機介面 (BCI) 的技術現在開始允許癱瘓人士透過大腦訊號來控制，例如，計算機游標或假肢。BCI 依賴於資料處理技術來提取一個人移動的意圖，然後將該資訊傳遞到他或她希望控制的裝置。
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2010 年，我們中的一位（Rao）意識到：也許我們可以使用相同的原理將思想從一個人類大腦傳輸到另一個人類大腦。想象一下，如果一位老師可以直接將數學證明非語言地傳達給您的大腦。或者，也許醫學生可以直接從導師的頭腦中學習複雜的外科手術技能。這些想法一直是科幻小說的主要內容，從《星際迷航》的瓦肯心靈融合到電影《阿凡達》中截癱人類控制化身。在我們都在華盛頓大學工作期間的談話中，我們意識到我們擁有構建這項技術的初步版本所需的所有裝置。與其他科學家一起，我們現在正在學習繞過傳統的溝通模式，直接在大腦之間交換思想。
心靈融合變為現實
我們的策略要旨是使用排列在一個人頭皮上的電極來拾取腦電波，這是一種稱為腦電圖的技術。隱藏在神經中樞中的是表明一個人在想什麼的訊號。我們將專注於提取這樣一種模式，然後透過網際網路將其傳送給第二個人。該訊號將指示如何電刺激接收者的大腦。由於神經元透過電進行通訊，我們可以透過施加電流或磁場等技巧來策略性地影響它們的資訊傳遞。簡而言之，我們將使用一個人的大腦資料來在另一個人身上產生特定的神經活動模式。
當我們最終嘗試我們的設計時，另外兩個神經科學家團隊也已經在兩個大腦之間直接傳輸了訊號，儘管不是在兩個人之間。到目前為止的實驗，包括我們的實驗，都是簡單的概念驗證：一名參與者被指定為傳送者，另一名受試者為接收者。最終，我們希望在兩個方向上傳送和接收資訊，但我們相信，下一步的挑戰是可以克服的。
杜克大學的米格爾·尼科萊利斯和他的團隊是第一個展示腦對腦資訊傳遞的團隊。2013 年初，他們發表了一項實驗，其中簡單的資訊在不同大陸的兩隻大鼠之間傳輸。同年晚些時候，另一項涉及人類作為傳送者的實驗發表。在其中，六名佩戴腦電圖 (EEG) 耳機的人每人與一隻麻醉的大鼠配對。哈佛醫學院的 Seung-Schik Yoo 和他的合作者使用了一種新興技術，該技術透過顱骨將高度集中的超聲能量傳遞到大腦的特定區域。當參與者決定移動大鼠的尾巴時，該人相應的腦活動觸發了進入齧齒動物大腦的超聲脈衝。350 千赫的聲壓脈衝瞄準了大鼠的運動皮層，該皮層控制運動。大約兩秒鐘後，齧齒動物的尾巴抬起然後落下。
用神經元發射大炮
與 Yoo 的努力類似，我們的實驗也使用了腦電圖 (EEG) 來識別控制訊號。Rao 實驗室在從腦電圖 (EEG) 訊號中提取意圖方面擁有多年的經驗，因此這是一個自然的起點。一旦計算機解碼了神經資訊，主要問題就變成如何傳遞它。有點偶然的是，我們中的一位（Stocco）和我們的同事 Chantel Prat 正在研究經顱磁刺激 (TMS)，這項技術已獲得食品和藥物管理局的批准，用於治療重度抑鬱症。這種方法依賴於磁場脈衝來誘導接收者大腦特定區域的神經元放電。
為了傳遞脈衝，您需要將一個絕緣金屬線圈放在人的頭部旁邊。當電流放電到線圈中時，會在靠近線圈區域的神經元周圍形成磁場。當電流停止執行時，磁場消失。磁場的突然上升和下降會在被該磁場吞沒的神經元中感應出微小的電流，使其更有可能放電。當它們放電時，一系列連線的神經元也會被啟用。
根據您放置線圈的位置和配置磁場的方式，您還可以誘發非自願運動。我們意識到我們可以使用這項技術通常不受歡迎的方面來在接收者中產生粗略的運動。在我們的設定中，Stocco 會坐在他的左運動皮層上方的 TMS 線圈旁，這是控制他右手運動的大腦區域。在調整了一些引數後，我們找到了刺激控制 Stocco 手腕的神經元所需的佈置，使他的手抽搐。
我們決定透過檢視我們是否可以玩一個簡單的雙人影片遊戲來測試我們的腦對腦介面。在我們實驗室的學生花費數月編寫計算機程式碼並整合這些技術之後，在去年 8 月 12 日，我們終於嘗試了我們的設定。Rao 擔任資訊傳送者的角色，Stocco 擔任接收者的角色。
在遊戲中，一艘海盜船正在向一座城市發射火箭彈。目標是發射大炮攔截每枚火箭彈。只有 Rao 可以看到顯示遊戲的螢幕。但只有 Stocco 可以按下按鈕發射大炮。在恰當的時刻，Rao 必須形成射擊的意圖，幾秒鐘後 Stocco 就會收到意圖並按下按鈕。
Rao 戴著一頂緊身帽，上面鑲嵌著 32 個電極，這些電極測量頭部不同位置的電活動波動。在任何給定的時間，不同的神經元群體可能以許多不同的頻率振盪。當他想象移動手時，腦電圖 (EEG) 電極記錄了一個明顯的特徵，我們的軟體可以檢測到。洩露資訊的是 Rao 大腦中低頻振盪的下降。我們使用該特徵作為我們的線索，透過網際網路傳送命令來刺激 Stocco 的大腦。
Stocco 沒有有意識地感覺到脈衝，但他的右手還是動了。刺激導致他的手抬起，當它落下時，它擊中了鍵盤併發射了大炮。成功了！這是第一次，人類大腦將意圖直接傳達給另一個人腦，使兩個大腦共同完成一項任務。當我們玩遊戲時，我們變得越來越好，以至於在我們的最後一次執行中，我們幾乎以 100% 的準確率攔截了海盜火箭彈。Rao 學會了如何以一致的方式想象移動他的手，讓計算機有機會理解他的腦電圖 (EEG) 大腦資料。Stocco 發現他不知道自己的手腕在移動，直到他感覺到或看到他的手在運動。
我們現在已經用其他幾對人類複製了我們的發現。並非每個試驗在這些實驗中都完美進行，但在所有情況下，只要腦電圖 (EEG) 系統正確檢測到意圖，資訊就會使用 TMS 直接傳達給接收者的大腦。在整個實驗過程中，兩位受試者都意識到彼此的角色，並自願合作解決共同商定的任務。當海盜火箭彈被擊中時，傳送者知道他或她的夥伴的大腦會響應傳送者自己的大腦活動而執行一個動作。我們認為受試者之間這種有意識的合作是真正腦對腦交流的最終目標，這在動物研究中可能很難實現。
我們初步研究的一個弱點是接收者是被動的，本質上是向傳送者的大腦伸出援手。我們的下一組實驗將探索針對其他大腦區域以產生有意識的思想。例如，我們相信我們可以將視覺資訊而不是運動資訊從一個大腦傳送到另一個大腦——想象一下，接收者突然看到綠色，並知道這種色調意味著他或她應該執行某個動作。事實上，在八月份，一組科學家使用了與我們相同的技術，將粗略的視覺資訊從一個人傳送到另一個人。
這些簡單的實驗可能看起來離瓦肯心靈融合的複雜思想共享還有很長的路要走，但我們認為，首先很好地理解感覺和運動資訊如何共享非常重要。我們對大腦如何表示感覺和運動訊號的瞭解遠多於對大腦如何編碼複雜想法（例如如何解微分方程或哪個城市是拉脫維亞的首都）的瞭解。此外，許多科學家現在認為感覺和運動資訊是更復雜知識的基石。只有在我們掌握了更簡單的形式之後，我們才能冒險轉移更大的概念。
未來展望
我們設想了未來有一天可能會使用這種技術的幾種情景。例如，正在康復的人可以接受治療師的直接指導，以加快他們的康復速度。那些癱瘓且無法說話的人可以使用它將他們的想法和感受直接傳達給親人。隨著腦對腦技術的發展，人們可能會採用它們來解決人類面臨的挑戰，字面上地集思廣益。
當然，用技術增強大腦的能力本身並不新鮮。我們已經使用汽車和飛機增強了我們的身體能力，使用書籍和網際網路增強了我們的記憶力，並使用計算機和智慧手機增強了我們的分析和溝通能力。腦對腦通訊可能會放大我們天性的社會性——我們與他人分享思想的核心傾向。
如果科學家和工程師最終實現真正的腦對腦通訊，那麼倫理影響將是巨大的。所有技術，從簡陋的廚房刀具到複雜的基因工程，都可以用於行善或被濫用造成傷害。腦對腦通訊也不例外。許多科幻小說的情節都受益於比生命更偉大的反派濫用腦植入物來實現邪惡目的。安全和隱私在當今高度互聯的裝置世界中已經至關重要，在未來大腦互聯的時代也將是關鍵因素。神經安全研究人員需要透過開發高度安全的通訊協議來最大限度地降低腦對腦技術的風險，政策制定者需要透過法律來最大限度地減少任何濫用的可能性。
最終，我們必須問自己：腦對腦通訊的好處是否大於其風險？它將如何塑造人類的進化？它會使社會變得更好嗎？正如我們的小實驗所證明的那樣，我們現在需要開始討論這些問題。