“思想钢印”是可能的吗?

2024-10-28

“思想钢印”是可能的吗?

北京大学第六医院 教授 岳伟华

北京大学第六医院 中国科普作家协会 博士研究生 冯筱扬


       对于看过科幻小说《三体》的读者们而言,一定不会忘了第二部《黑暗森林》中“思想钢印”这个概念。书中比尔·希恩斯作为一名脑科学家被选为面壁者后,虽然没有想出直接战胜三体人的办法,但是却发明了“思想钢印”这个机器来为人类文明保存火种。小说中把“思想钢印”描述为一种可以直接给人类大脑打入信念的机器,这个信念可以是一些具体事实,比如“水是剧毒的”,也可以是一些模糊的概念,比如“人类必胜”。被打上这个“思想钢印”后,大脑会不假思索的认为这个信念是对的,即使主观上能发现这个信念是不合理的,例如希恩斯在给自己做实验的时候,虽然也意识到“组成人身体70%以上都是水”,但仍然会觉得“水是剧毒的”。最后,他利用这个机器给一帮军人偷偷打上了“人类必败”的信念,但是却让大家以为他打上的信念是“人类必胜”,从而让这群人潜伏下来逃跑,为人类文明保留了火种。



图1 希恩斯的面壁计划


       科幻小说中的这个点子非常有趣,“思想钢印”也符合人类对于自己的思维能否被操纵这一点存在着天然恐惧的本能。那么从脑科学角度,“思想钢印”是否有可能实现呢?

       要回答这个问题,我们先来看一看小说中的“思想钢印”是如何实现的,再探讨这些过程中,哪些技术是我们现代脑科学可以实现,或者是有脑科学基础的。


一、如何探索“思想”在哪里活动?

       根据小说描述,要实现“思想钢印”,实验人员需要先搭建了一个榨干了人类最后算力的超级计算机用来扫描人类神经元的结构。在现代科学中,人类对解明神经元结构和探索神经元彼此之间连接方式的尝试从未停止。最早有生物学家高尔基(Camillo Golgi)和现代神经科学之父卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)分别利用染色技术探索神经系统的结构,最终卡哈尔的神经元理论推翻了高尔基的网络系统理论,建立了现代神经元和突触连接学说。之后,人类在染色方面发展出了非常多的手段,除了传统的利用染料染色外,还有利用抗体-抗原反应的免疫荧光组化染色,利用RNA互补的原位杂交技术染色等。这些技术虽然可以获取精确的神经元连接方式,但是需要处死生物并且进行复杂的生化处理。和小说中“思想钢印”描述的更接近的无创扫描技术主要是现代的神经影像学技术。可用于大脑功能扫描的影像学的主流技术主要包括功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)和正电子发射体层成像(positron emission tomography,PET)。


 

图2 功能性磁共振成像设备


       磁共振成像(MRI)的主要原理类似于我们通过拨动音叉来让音叉发出声音,只是对于大脑中,这个音叉是我们人体内最常见的物质——氢原子。就像我们用一只手拿住音叉一样,我们通过一个基础磁场给氢原子加上一个力矩,然后再施加另一个方向的磁场来拨动我们的音叉,使其发出不同的“音色”。这个音色就是我们需要的信息。而要了解大脑的功能 ,功能性磁共振成像(fMRI)则依赖于另一种不同的“音叉”,血红蛋白在和氧结合时会呈现出抗磁性,而和氧解离时会呈现出顺磁性,而大脑活动时需要消耗大量的氧气,通过磁共振成像观察大脑的耗氧水平则可以间接地了解大脑的功能。fNIRS和fMRI的原理类似,也是通过血氧水平间接地了解大脑的功能,只不过拨动音叉的不是磁场,而是近红外射线。PET则是把放射性物质注入到人的体内,随着放射物质的衰变,这些物质会放射出射线,就像从体内直接发出闪光一样,被体外的摄像机捕捉,从而获得信息。PET的优势在于通过合成特定的物质,比如大脑需要的神经递质代谢物,可以比较精准地知道和特定活动存在因果的脑区,相对而言,fMRI和fNIRS获取的脑区连接只是相关而不是因果。


 

图3 功能性磁共振通过血流来获取脑区活动信息,进一步获得脑区连接结果


       和小说中描述的非常精准的计算机可以扫描并模拟所有神经元的结构和连接不同,fMRI、fNIRS和PET这三种方法在获取大脑活动方面都较为粗糙。首先是分辨率较低,人的神经元大小大概是5~150µm,突触更是低至50nm左右,需要靠轨道电镜才可以看清,而fMRI、fNIRS和PET的分辨率只有1mm、1cm和3mm左右,远远大于能分辨神经元的能力。其次,人的神经元活动电位的时间往往以毫秒(ms)来计算,如果是神经突出离子通道的电活动,时间更是低至微秒(µs)或者纳秒(ns)。而这3个方法的时间分辨率都在1s以上,这意味着我们的机器能捕捉到的活动往往是粗糙的、一大群神经元或者是一个脑区在一段时间内的工作的反应,而不是精准的神经元和神经连接的即时反应。俗话说,“巧妇难为无米之炊”,如果我们尚不能知道神经元本身是如何工作的,就更难以明白思想是如何形成的,更别说像小说里那样“在亿万行代码里添上一个正/负号”来给思想打上钢印了。


二、“思想钢印”在什么层次上实现

       《三体》小说中那个发现“思想钢印”的实验本身是个非常有趣的过程。机器先给出了一堆命题,如“猫有三条腿” “太阳是圆的”,这些命题有的是错的,有的是对的。实验人员必须在阅读这些命题的过程中,对这些命题的真伪性进行判断。而正是在给“水是剧毒的”这个命题进行“判伪”的过程中,被试者对这个问题的判断被逆转了,从此他坚信“水是剧毒的”。这是一个设计上非常有趣的描述,它包含了几个步骤。首先,被试者必须自己在意识层面把这个命题调取起来;其次,要利用自己既往的经验对这个命题的正确性进行判别。在这个过程之后,机器通过一些干预手段,改变了被试者对这个命题的看法。值得一提的是,这个过程并不影响被试者对与这个命题矛盾的知识的判别。例如,实验人员知道“人体内70%以上都是水,所以水有毒这个命题是不可思议的”,但仍然不影响他相信“水是剧毒的”。


 

图4 计算机对某个脑区高强度扫描后,被试真的认为水是剧毒的


       这个过程本身虽然科幻,但相对而言并不离谱。根据目前现代认知科学的了解,人类有意识的活动,如对一个命题产生判断、集中注意力完成学习、对复杂问题进行决策等,只占大脑总活动的很小一部分。大脑大部分的信息处理过程是在“后台”运行的。如果我们非常粗糙地描述这个过程的话,可以认为当我们需要进行意识活动的时候,其实只是皮质皮质,例如前额叶皮质皮质,把现有的信息和知识进行统合、判断后,再分发给负责其他任务的大脑区域来执行。然而,这就像是公司领导层在开会讨论重大决策方向,只是处理信息的很靠后的一个阶段,在此之前,大脑的不同区域已经对信息进行了非常高效的预处理,真正的“公司运营”层面如采购物资、人事管理、销售分发等都是隐藏在意识层面之下的巨大冰山。

       例如,大脑里有一个进化上非常的古老的区域叫做杏仁核,它可以在不需要意识介入的情况下,就帮我们处理与恐惧相关的信息,以便于我们在非意识层面就可以不暇思索地避免许多危害。这种信息处理机制甚至会刻在我们的基因里,不需要学习就会获得。我们很多人在小时候并没有见过蛇,但是看到蛇仍然会本能地感到恐惧,就是这个原因。我们的手被针刺到的时候,不需要意识介入就会本能地缩回手。对于事关生存的重大议题,不经过主观判断便做出最本能的反应,这在进化上是一个非常高效的策略,也是许多物种能够跨越演化长河,繁衍至今的重要生存优势。

       除了这种潜在的信息处理策略,还有一类在进化上非常晚才出现的信息处理策略,那就是基于大脑新皮质的学习能力。人类通过学习,不断通过行动、反馈等,将一些抽象的知识整合到我们大脑内。这类知识不仅包括抽象的数学计算和整合能力、语言文字能力、政治历史知识,还包括复杂的决策方法,等等。而且,这些知识往往并不能随着繁殖而遗传下去,每一代个体都需要重新学习,并且习得后往往并不固定存放在某一个脑区,而是以神经元可塑性的形式固定在了大脑的连接结构中,以备日后使用时重新提取和呈现。例如,前额叶可能就存储了我们对于学习到的“社会等级”相关的信念。

       我们的“思想”“信念”等,往往正是在这个层面上,经过后天学习才成为我们自己的一部分的。不同于那些本能行为在不同物种、不同个体上的高度一致,这些“思想”“信念”并非一经形成终身不变,即使在人的一生中,它们也会随着我们的境遇变化而变化。


 

图5  下丘脑和神经环路


       需要说明的是,大脑的分区功能并不像这段文字描述的那样明确。事实上,大脑并没有泾渭分明的功能分区,每个大脑区域都是彼此连接的,功能上都不甚明确。而且,大脑具有独特的可塑性机制,一个区域的功能往往可以被另外一个区域所迁移和替代。

       那么,“思想钢印”更有可能在哪个层次上实现呢?小说原文中有一个关键信息,那就是“只需要修改一个正负号”,就可以逆转被试者对目标命题的判断,而不影响他对其他知识的判断。所以这个过程很可能是在“信息呈递”的过程中发生的。这是因为,如果“思想钢印”要直接修改人类对知识的记忆或者理解,就意味着需要影响整个神经网络,还要避免这些信息彼此之间出现冲突。而大脑对知识的存储方式又非常分散,很难仅仅靠一个简单的正负号就可以修改。但如果仅仅是在“信息呈递”过程中动手脚,如对下丘脑向皮质投射过程中的神经突触进行一个正负电位的翻转,就很有可能因为本能行为相关神经系统的高效特性,在非意识层面把该命题判断为“对生存有害”,从而达到“思想钢印”的效果。

       正因为如此,这类“思想钢印”大概率也只能对“水是剧毒的”这类简单的命题有效。小说里最后提到的“人类必败”已经是一个非常复杂的决策问题了,大脑在处理这个命题的时候,必须要有多个复杂的皮质参与,属于意识层面主导的决策,也必然要调取不同的信息整合核团。这也是在现实生活中,越重大、越复杂的问题,就越会让人犹豫的原因。所以,从我们所知道的脑科学的视角来看,目前的人类科技很难通过简单的“正负号”就逆转人类对于这类复杂命题的信念。


三、干预“信念”如何实现

       最后,现实里有实现“思想钢印”中“盖戳”这个过程的技术吗?根据小说描述,这个过程是在机器里念命题的时候,通过解析摄像机加强对某个脑区的扫描实现的。即使在小说中,这也是一个意外发现。


 

图6


       如果我们把这个过程中看作是某种物理干预手段的话,现代脑科学中有几类相似的技术,如改良电休克治疗(modified electro-convulsive therapy,mECT)、经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)和经颅重复磁刺激(rTMS)等。

       mECT和tDCS都是用电流从大脑外对大脑进行刺激,达到影响大脑功能的目标。mECT类似于我们给心脏做点击除颤,在麻醉下,通过电流让神经元“重启”,从而改变大脑的功能。mECT被认为是精神科的终极武器之一,用来治疗重度抑郁症等,目前发现有非常神奇的疗效。很多患者自述经过mECT治疗后有一种“重获新生”的感觉,以前觉得心里过不去的坎儿也都能看开了。虽然这不是小说里那种精准改变信念的技术,但是对许多饱受疾病折磨的患者来说,的确可以被看做是一种“思想钢印”。然而,mECT技术也不是万能的,它可能产生失忆等副作用,而且对人格障碍类的患者疗效也不佳。或许这也从另一个角度说明,如果真的存在“思想钢印”,它对“人格”这类信息编码非常复杂的问题应该也是效果有限的。tDCS的原理和mECT类似,但它是在颅骨外用微弱的直流电进行刺激的技术,远达不到重启神经元的级别,更多是微弱的整流效果。

       与电刺激相比,采用磁场刺激则更为安全。rTMS利用磁生电的效应,用非接触的线圈对大脑皮质施加磁场,从而对神经功能进行调控。在临床治疗之外,rTMS也是神经科学研究的一个工具,实验人员会通过强磁场短暂干扰一个脑区,观察人类的哪一部分功能被影响,进而来探索这个脑区负责什么功能。实际上,这几种电磁刺激手段都非常粗糙,分辨率都是以脑叶来算的,就更不必说精准地调控某个神经连接了。


 

图7 经颅磁刺激(rTMS)


       如果可以放弃“无创”这个要求,可以打开头颅做试验的话,那么目前应用于人类的还有迷走神经刺激术(VNS)、深部脑核团电刺激术(DBS)等。两者都是通过手术方式在神经、深部脑核团植入电极丝,通过电流刺激来改变大脑功能。这类技术往往更精细,可以达到更精准的治疗效果,但缺点是有创伤,手术风险较大,往往用于重症患者。即使如此,DBS也很难达到单个神经元的操作精度,而且出于伦理考量,目前也没有DBS用于“信念”的研究记录。不过值得一提的是,历史上在对毒品成瘾性的研究中,有一个广为人知的动物实验:如果给做过DBS的老鼠一个脚踏板,每次老鼠踩下这个脚踏板时,就通过DBS刺激多巴胺分泌,那么老鼠即使没有得到任何真实的食物奖赏,也会不停地踩下踏板,直到自己力竭死去。针对人类的研究也有类似的结果,成瘾者表示这种感觉更像是“再按一下会更好”,所以不停地按下刺激开关。和普遍流传的多巴胺是“快乐”物质的说法不同,现代研究认为多巴胺更接近于“促进奖赏”的物质,代表的是“对快乐的渴望”,而不是获得快乐本身。如果多巴胺功能异常,除了产生致幻、冲动外,还会导致类似赌瘾、毒瘾等明明毫无获得却依旧毫无理性的行为。这或许也是一种“思想钢印”吧。

       笔者认为,如果不考虑能否应用于人类,那么和小说里“思想钢印”最接近的是一类目前还只用于动物实验的技术,即光遗传、药理遗传、磁遗传等神经环路调控技术。2007年,美国科学家Karl Deisseroth在《自然·神经科学》上发表了一篇文章,发现通过利用基因工程技术,把一种被称为ChR2的光敏蛋白表达在神经元上后,通过手术植入光纤,利用光刺激该光敏蛋白,则可以激活这类神经元。



 

图8 光遗传实验的动物模型


       之后,科学家们还发现了另一种抑制性的光敏蛋白NpHR,以及药理遗传学相关的蛋白hm4Di、hm3Dq等。这类调控手段和其他物理神经调控手段最大的不同是,其表达和调控范围都具有高度特异性,可以只在具有某一类生物标志物的神经元上表达,并且可以精准地控制表达在某个脑区,甚至是突触末梢或者是胞体等。例如,可以精准地调控杏仁核的某个亚区内分泌多巴胺的神经元,并且只影响多巴胺投射到“扣带回”脑区的那些神经突触,而不影响到其他脑区的神经投射。这类工具大大促进了人类对神经元功能的了解,发现了一系列非常有趣的结果。例如,对本来很懦弱的小鼠进行特定脑区的光刺激,可以使它变得非常自信,一跃成为鼠群之王;给一些脑区特定的刺激,还可以让小鼠喜欢上本来厌恶的食物;甚至还有实验表明这类刺激可以逆转小鼠的性取向,等等。这听起来是不是已经非常接近科幻小说中的“思想钢印”了?但即便如此,虽然我们可以使用这个技术,但这类研究背后的机理究竟是什么?是某种已经存在的环路连接被改变了,亦或是凭空刺激了原本生理上不存在的神经环路?目前尚有许多科学家在争论之中。为了避免小说中“我点燃了火,却没法控制它”这样的结局,科学家们对所有神经调控技术在人类上的应用,一直保持着高度谨慎的态度。

       总而言之,目前人类对“思想从哪里起来、到哪里去”之类的问题基本上都还是一知半解,“思想钢印”暂时是不可能实现的。但是不论如何,随着科学的进步,人类对“思想”“信念”这类复杂意识活动的本质的认识,以及如何调控他们,一定会随着神经科学的不断发展而越来越深入,大脑的秘密大门一定会逐渐向人类打开,也许有一天,我们真的会知道如何造出科幻小说中的“思想钢印”。


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