“賽博朋克”的科技也許不用等到2077
2020年12月13日06:30

  來源:biokiwi

  賽博朋克2077終於發售了!不知道點開推送的各位已經玩到沒有?

  反正我還沒玩,因為要給大家寫這篇推送(哭)。

  提起賽博朋克,腦海里浮現的想必是那個光怪陸離、擁有極度發達科技水平,但社會道德卻又趨於崩壞的科幻世界。人造人、機械結構、人機結合……這些科技感十足的畫面可能在你眼前不斷閃現。

  但要是我和你說,那個時代其實不用等到2077年,你信嗎?

  你不信也得信 :-)

  腦機接口遠比你知道的厲害

  說到腦機接口,你可能會想到幾個月前,埃隆 · 馬斯克(Elon Musk)在發佈會上用小豬進行演示的腦機接口技術——這可能是大多數人對腦機接口最深刻的印象。

  但實際上,這可不是腦機接口最早的亮相。早在一百年前,腦機接口就已經走入科學家的視野里了。

  20世紀初,腦科學研究剛剛起步。1909年,德國神經科醫生科比尼安·布洛德曼(Korbinian Brodmann)提出大腦皮質的 Brodmann 分區,科學家開始意識到大腦的不同區域可能會執行不同的功能——運動、視覺、感覺、情感、語言、記憶……

  1924年,一位叫做漢斯·伯格(Hans Berger)的德國精神科醫生,首次實現將機器插入大腦,並記錄到來自大腦的信號——腦電波。

  嚴格意義上來說,這應該是大腦和機器的第一次結合。

  腦電圖(EEG)等等大腦成像的技術一直仍然被用於精神疾病的研究 | 圖源:Wikipedia

  之後的一百年間,腦機接口的發展可謂是“百花齊放”,經過一系列的動物實驗之後,科學家開始嚐試把它應用到了人身上。這裏我們給大家介紹幾個最 Amazing 的實驗,來看看腦機接口已經能做到什麼程度吧。

  再說回賽博朋克,其最吸引人的地方之一,想必是即使斷了胳膊斷了腿,也能接上一條機械臂的設計吧?這其中最難的地方在於——怎麼實現讓大腦控制機械臂。而這其實在十幾年前就已經實現了。

  早在2006年,研究者通過機器的植入,形成一個叫 “BrainGate” 的腦機接口系統,控制大腦中不多的上百個神經元,就能讓四肢癱瘓的人能使用意念來控制電腦屏幕上的光標;或者讓他開關電視,看電視換台;或者是玩簡單的彈球遊戲;甚至是操控一隻真正的假肢,實現抓握的動作……

  圖A和圖B展現了植入的芯片大小,上面小小的尖端用於監測96個神經元的電信號;圖C為植入大腦的位置,大概是在控制手臂的腦區;圖D為四肢癱瘓的實驗者實驗的場景 | 圖源:Hochberg L R, et al。 Nature

實驗者用腦機接口控制藍色的光標玩消除遊戲 | Hochberg L R, et al。 Nature
實驗者用腦機接口控制藍色的光標玩消除遊戲 | Hochberg L R, et al。 Nature
實驗者用腦機接口控制假肢抓握| Hochberg L R, et al。 Nature
實驗者用腦機接口控制假肢抓握| Hochberg L R, et al。 Nature

  而幾年之後,這一套 BrainGate 系統已經發展到可以控制體外的機械臂去主動抓握物品,甚至幫助四肢癱瘓患者拿取食物飲料,自己完成飲食的動作:

 圖源:Youtube-NIHNINDS
 圖源:Youtube-NIHNINDS

  既然可以實現用意念來操控機械臂,那麼科學家就在想:中風患者四肢癱瘓,可四肢都在,那是不是可以利用腦機接口輔助他們重新站起來呢?

  早在2003年,研究者就嚐試使用腦電圖結合電刺激的方法,讓四肢癱瘓的患者上肢運動起來,實現手的抓握能力。而後各類嚐試讓患者恢復行走,重新獲得對四肢控制的研究也相繼進行,雖然可能有的還需要假肢的輔助,但最關鍵的問題在於——恢復大腦對身體的控制。

通過外接的腦電圖和電刺激,實現癱瘓者對手臂的控制 | 圖源:Pfurtscheller G, et al。 Neuroscience letters
通過外接的腦電圖和電刺激,實現癱瘓者對手臂的控制 | 圖源:Pfurtscheller G, et al。 Neuroscience letters

  如果弄清楚大腦怎麼控制身體這個問題,像是阿麗塔那樣,只有大腦全身機械的科幻場景就可以實現了。

  除了運動,科學家們還關心另一個和神經相關的精密器官——眼睛。

  早在1970年代,就已經有科學家嚐試在盲人的大腦視覺皮層植入芯片,連接到攝像機上,進而讓人產生一種光幻視(phosphenes),使盲人可以看清一些簡單的模糊圖像。只不過這裡面的局限性在於電極的數量太少,不能刺激足夠的神經元來識別圖像。

  但就在前幾天,有研究使用了上千個電極的芯片,植入到失明、且已經訓練至具備識別英文字母能力的獼猴大腦中,再利用腦機接口讓獼猴看到由光點組成的字母,獼猴一下子就認了出來,也說明了這一腦機接口的成果。

  而伴隨著電極的增多,以及科學家對視覺通路認知的進一步深入,讓上千萬盲人複明將成為可能。

通過前期在計算機生出光點的訓練(左邊四圖),讓獼猴學會了字母,之後植入芯片後再通過計算機輸入光點讓獼猴識別(右側兩圖,依次是A和L) | 圖源:Chen X, et al。 Science
通過前期在計算機生出光點的訓練(左邊四圖),讓獼猴學會了字母,之後植入芯片後再通過計算機輸入光點讓獼猴識別(右側兩圖,依次是A和L) | 圖源:Chen X, et al。 Science

  除此之外,還有研究如何使用腦機接口進入虛擬世界遊戲、或者連接不同人的大腦進行信息傳遞,還有人工在體外培養神經細胞來製作“神經芯片”……而前面提到的馬斯克,其革新就在於將更多的電極集成到了更小的芯片上這一工程學進步,這就給腦機接口帶了全新的無限可能。

  要是這些腦機接口研究能夠實現,賽博朋克里機器與人體結合的場景想必也就不遠了。

  人造器官可不只是機械形態

  除了大腦這個人們還無法一探究竟的器官之外,要重現賽博朋克那個科幻的世界,還需要足夠的人造器官,才能實現人體的改造。

  在這個問題上,科學家的進展和思路已經超出了賽博朋克的範圍——因為機械的人造器官不能滿足人體的需求。

  之所以不使用機械的人造器官,一方面是由於身體器官結構的複雜機製,人造的機械還遠不能達到相似的水平;另一方面這些機械需要定期更換,支援的時間也有限。比如目前的人造心臟,就需要外掛一個泵,為機械心臟提供動力,實驗期限也只有不到十年。

市場現有的臨時人工心臟SynCardia示意圖 | 圖源:syncardia.com
市場現有的臨時人工心臟SynCardia示意圖 | 圖源:syncardia.com

  因此科學家也走出了一條一點也不“賽博朋克”的道路:3D生物打印和異種器官移植。

  3D生物打印是利用生物細胞作為材料,結合3D打印的技術,在預設好的模型下構建一個器官,再將打印好的器官進行培養。雖然類似心臟、腎臟這樣的器官還未實現,但也已經可以打印出耳朵、心臟瓣膜、氣管等簡單器官結構。

利用3D生物打印產生的人造耳朵(a、b),心臟瓣膜(c)以及支氣管(d)| 圖源:Yan Q, et al.Engineering
利用3D生物打印產生的人造耳朵(a、b),心臟瓣膜(c)以及支氣管(d)| 圖源:Yan Q, et al.Engineering

  鑽研這一方向的科學家還有一個大膽的想法:現在是在體外打印器官再移植,那以後是不是可以手術打開患者的內臟,直接在患者身上打印呢?將細胞按照需要打印到患者身上,也許就可以避開體外培養器官的難題了。

 從A到C展示了這種原位3D生物打印的進展:從在組織體上“打印”,再到實驗動物上進行“打印”,最後到未來可以實現在手術里對著人進行“打印” | 圖源:Ozbolat I T。 Trends in biotechnology
 從A到C展示了這種原位3D生物打印的進展:從在組織體上“打印”,再到實驗動物上進行“打印”,最後到未來可以實現在手術里對著人進行“打印” | 圖源:Ozbolat I T。 Trends in biotechnology

  除了在體外從“0”開始培養器官,早在 3D 打印還未出現的1970年代,有些科學家就提出過一個更大膽的想法:是不是可以將豬的內臟移植給人類?

  他們利用基因編輯技術,改造豬體內的基因,確保在移植時這些來自豬的器官不會產生免疫排斥、炎症、凝血反應。然後將這些豬的器官移植到狒狒身上,來看移植的效果如何。

三個主要導致異種器官移植失敗的障礙 | 圖源:Niu D, et al。 Advanced Drug Delivery Reviews
三個主要導致異種器官移植失敗的障礙 | 圖源:Niu D, et al。 Advanced Drug Delivery Reviews

  之所以使用豬,主要原因是其他和人接近的動物,比如黑猩猩數量稀少,甚至已經接近瀕危。而豬既能保證器官和人比較像,又能有足夠器官數量供給。再結合近幾年愈發成熟的基因編輯技術,就可以把豬的器官改造得更適合人類。

  結果也是喜人的,在幾十年的不斷嚐試下,移植豬的器官後,狒狒存活的天數也在不斷延長,最長可以達到300天以上。

不同時期的轉基因豬心臟移植到狒狒上後的存活時間 | 圖源:Cooper D K C。 Xenotransplantation。 Springer
不同時期的轉基因豬心臟移植到狒狒上後的存活時間 | 圖源:Cooper D K C。 Xenotransplantation。 Springer

  今年九月,楊璐菡團隊開發的“豬3.0”,則在避免免疫排斥和炎症反應的基礎上,又進一步解決了另一個可能威脅到人類的問題——內源性病毒。避免了豬體內本身就存在的病毒對人類的威脅。

  但這後面仍然存在著很多問題,比如豬的壽命遠不如人,體溫、各種生化代謝反應是否能和人匹配,都等待著科學家去克服。

  但是我們已經看到了人造器官新的曙光。

  結語:倫理問題與賽博朋克

  賽博朋克的世界不僅僅有人與機械的結合,科技高度發展的背後,往往暗藏著人體肆意改造導致的各種社會道德問題,其中最簡單但也最複雜的便是——我們應該如何看待人類?

賽博朋克的科幻背後,其實往往揭示了科學發展後的社會倫理問題 | 圖源:銀翼殺手2049
賽博朋克的科幻背後,其實往往揭示了科學發展後的社會倫理問題 | 圖源:銀翼殺手2049

  科幻小說家布魯斯·斯特林曾經給賽博朋克下了一個定義:

  待人如待鼠,所有對鼠的措施都可以同等地施加給人。閉上眼拒絕思考並不能使這個慘不忍睹的畫面消失。這就是賽博朋克。

  這就是現今科學家們面臨的科學倫理問題:科學的邊界應如何定義?難道未來的我們也會把人當實驗對象來進行實驗嗎?

  其實剛剛我們提到的腦機接口、人造器官,本意上和賽博朋克沒有任何關係,絕大多數科學家的初衷都是為了幫助患者,讓患者能夠恢復正常生活,才會研發這樣的技術。

  但不排除有的科學技術發展到一定程度,會產生很多社會道德問題,甚至是哲學問題的思考。

  比如腦機接口發展到終極水平,是不是就可以將人腦替換成芯片?或者是將意識上傳成數據?我還是我嗎?

  又比如器官移植,當全身的器官都是豬的,這個人還該不該吃豬肉?或者說他(它)還是一個人嗎?

2018年底的基因編輯嬰兒事件,就值得我們反思科研倫理是否跟進科學技術的問題
2018年底的基因編輯嬰兒事件,就值得我們反思科研倫理是否跟進科學技術的問題

  而科研倫理道德,就要求我們提前思考這樣的問題,給科學確定研究的邊界:比如複製羊多利的問世,複製人的想法就已經被科學家早早否認,並扼殺在搖籃之中;體外受精和細胞培養的實現,也讓科學家將人類胚胎的研究嚴格控制在了14天以內……

  問題不是技術如何,而在於使用它的人,要如何合理地使用技術。這就要求在這個技術日益更新的時代,相關的規定和政策能及時跟進。

  《賽博朋克2077》不跳票了,但是希望現實的賽博朋克永遠跳票。

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