Beyond Boundaries:The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines — and How It Will Change Our Lives

作者：尼可列利斯

原文作者：Miguel Nicolelis

译者：杨玉龄

出版社：天下文化

出版日期：2012年03月23日

语言：繁体中文   ISBN：9789862169100

内容简介

Intel、Google、Microsoft 纷纷设立脑机部门，
研发“大脑—电脑—机械介面”新科技。
“阿凡达”、“猎杀代理人”、“火狐狸”、“骇客任务”等电影中，
用脑波操纵机器、甚至控制其他生化躯体的情节，不再是噱头和幻想。

　　由名列“全球20位最顶尖科学家”的尼可列利斯，亲自执笔。
　　为我们介绍“脑机介面”的最新研究成果，和他的心路历程。

　　这位巴西国宝级科学家，率领一支国际天才团队，
　　以及实验鼠艾栩、实验猴贝拉、奥萝拉、伊朵雅，
　　进行最尖端、充满人道关怀的“念力”研究，
　　已经成功让猴子运用脑波，去打电玩、去操控数百公里外的机械臂，
　　甚至遥控半个地球外的机器人在空中漫步！

　　这是残障人士的福音，在不久的将来，
　　无法听、无法看、无法抓物、不能行走或说话的神经疾病患者，
　　将可能运用念力，操作各式机电义肢，回复正常的生活与尊严。

　　社会大众的日常生活，也将可能大幅改变：

　　未来我们只要单用想的，就可以控制家中所有电器的开关，
　　连上“脑际网路”，不必输入文字，直接与网友进行意识上的交流。

　　甚至，头脑不再受限于我们的身体疆界，
　　每个人的记忆、心灵，不会随肉身毁坏而消失……

作者简介

尼可列利斯（Miguel Nicolelis）

　　出生于巴西，创立美国杜克大学神经工程研究中心，
　　创办巴西纳塔尔国际神经科学研究所。
　　现任杜克大学狄恩（Anne W. Deane）神经科学讲座教授。
　　论文经常发表于《自然》和《科学》等国际一流学术期刊，
　　已获选为法国科学院院士、巴西科学院院士。

　　2004年《科学人》杂志挑选为全球最顶尖的20名科学家，
　　2010年获颁美国国家卫生研究院先锋奖，
　　2011年受教宗本笃十六世册封为天主教廷科学院院士。

　　目前的研究计画之一，是要运用脑机介面，
　　让全身瘫痪的儿童，在2014年巴西的世界杯足球赛，
　　担任开幕战的开球嘉宾。

译者简介

杨玉龄

　　辅仁大学生物系毕业。曾任《牛顿》杂志副总编辑、《天下》杂志资深文稿编辑。目前为自由撰稿人，专事科学书籍翻译、写作。著作《肝炎圣战》（与罗时成合着）荣获第一届吴大猷科普创作首奖金签奖、《台湾蛇毒传奇》（与罗时成合着）荣获行政院新闻局第二届小太阳奖。译作《生物圈的未来》荣获第二届吴大猷科普译作首奖金签奖、《大自然的猎人》荣获第一届吴大猷科普译作推荐奖、《雁鹅与劳伦兹》荣获中国大陆第四届全国优秀科普作品奖三等奖。另着有《一代医人杜聪明》；译有《基因圣战》、《大脑开窍手册》、《奇迹》、《大脑决策手册》等数十册书（以上皆天下文化出版）。

目录

中文版编辑说明 4

前言 跟着音乐走 5
—— 聆听脑细胞集体创作的交响乐

第1章 思考，是什么？ 15
—— 颠覆你的传统认知

第2章 脑内风暴的追逐者 35
—— 两大阵营持续交锋

第3章 虚拟的身体实境 53
—— 电击脑袋、幻肢、灵魂出窍

第4章 聆听大脑交响曲 79
—— 撷取神经元集群的动态织锦

第5章 老鼠如何躲猫猫 101
—— 老鼠触须的妙用

第6章 解放奥萝拉的脑 133
—— 用念力指挥机械臂

第7章 自我控制 163
—— 回顾初期的脑机介面

第8章 脑机介面的真实世界之旅 185
—— 机器人的一小步，人类的一大步

第9章 化身飞机的人 203
—— 工具是肉体的延伸

第10章 分享我们的心灵 231
—— 迈向“脑对脑介面”

第11章 脑里的怪兽 259
—— 脑动力学初探

第12章 用相对论性脑来计算 281
—— 挣脱局限，开启无限的可能

第13章 回到星辰 303
—— “脑网”无远弗届，永垂不朽

志谢 328
延伸阅读 331

序

中文版编辑说明

　　这是一本描写大脑的能力和潜力的书，也是一本挑战你大脑的理解力与想像力的书。

　　作者虽然已名列全球最顶尖的科学家，获得诺贝尔奖的呼声极高；但是他的研究生涯一路走来，不时在冲撞学术界的传统认知，不时与神经科学的主流思想抵触。他研究的主题和方法、他自创的理论，很长一段时间被视为异端。因此他写这本书时，可说是把压抑已久的思绪，全部倾吐出来。他既想对一般读者娓娓道来，也想对科学界的同侪抒发自己的完整理念。

　　所以在这本书中，既有精采的实验室故事、人生故事，也遍布许多学理和科学史。中文版为了方便一般读者阅读，特别在某些章节的小标题前面，打上※号，表示这些章节包含比较多的学理或技术细节，一般读者可略过不细读。当然，对于想了解“念力”这个主题的完整内涵的读者，仔细攻读这些打※号的章节，肯定能让自己的脑力超越既有的疆界。

　　本书第1到5章和第7章，大抵在讲脑科学研究史上，两个阵营的对峙（一边阵营主张脑部有分区，每区专司一种功能；另一边阵营主张，脑袋就像一支交响乐团，与其拆解开来研究，不如细心聆听整首交响曲）。作者属于后者的阵营，在这几章史实轶事的回顾中，也穿插自己聆听大脑交响乐的历程，还有幻肢、灵魂出窍的奇异实验——见第3章〈虚拟的身体实境〉。

　　第6章〈解放奥萝拉的脑〉、第8章〈脑机介面的真实世界之旅〉、第10章〈分享我们的心灵〉介绍脑机介面的种种精采实验，包括猴子用脑波打电玩、猴子用脑波遥控机器人走路（华裔科学家郑顺威发明的机器人），以及老鼠用脑波指挥另一只老鼠的“脑对脑介面”实验构想。

　　第9章、第11章、第12章，分别从飞船奇人、尼斯湖水怪、巴西足球队的惊天一击，切入作者要进一步阐述的念力理论，其中包含台湾赴美科学家林士杰的杰出贡献。

　　第13章〈回到星辰〉则是作者对于脑机介面的远景，纵横驰骋的想像。

前言

跟着音乐走—— 聆听脑细胞集体创作的交响乐

　　满溢声光的第一堂课

　　当第一串小提琴音，自二楼大理石厅堂涌出，顺着楼梯，恣意奔向空无一人的医学院大楼门口，情境之荒诞，顿时让我摸不着头绪。毕竟，一个医学生在世界上最忙碌的医院急诊室里操劳到半夜，好不容易偷空小憩之际，怎会料到乐声大作。然而，这阵乐声把充满希望与冒险的生命气息，缓缓吐进湿闷的仲夏夜中，消弭了我的不安。或许，这也是为什么，即使我的大脑被那阵琴声诱惑，已经是二十五年前的往事，我到现在依然清楚记得那天夜里，记得那慑人心魄的美妙旋律，如何串成一股热切的、集体的邀约，声声呼唤我，要我追随那诱人的音乐。我快步爬上楼梯，穿过一条窄窄的长廊，最后来到一间大讲堂入口，华格纳歌剧“帕西法尔”的序曲，正是从这里飘出来的。我忍不住跟着乐声踏进讲堂。

　　然而一眼望去，不禁大失所望，挂着枝形吊灯的诺大讲堂，空荡荡的，只有一位衣着考究的老先生，显然正忙着修理一台不知放过多少幻灯片的破旧幻灯机。

　　巴西圣保罗大学医学院建于1920年代末，里头每一间讲堂都是雅致简约的典范。最前方，是整齐的箱型讲台，区隔出教授讲课的空间。一张沉甸甸的木桌、一把结实牢靠的椅子、以及一面狭长沉旧的滑动黑板，就是简朴的教师专属空间的全部了。学生座位则是往后堆叠，坡度陡峭，让坐在最后一排的学生，包括我，可在一堂又一堂没完没了的课程中，得以避开教授权威的目光。

　　这时候，老先生（他有一头近乎平头的白发，衬着身上的白袍，倒是挺相称的）也被我推门而入的声音吓了一跳，不过他马上轻松抛来一个地中海式的爽朗笑容。他一边继续和幻灯机奋战，一边向我挥手示意，仿佛我们是多年老友。而讲桌上头，我有点沮丧的找到了证据，暗示这位随和的老先生与那天夜里的音乐会有关：一台唱盘机、两只看起来颇昂贵的喇叭，以及一叠唱片，封套标示着柏林爱乐交响乐团。

　　“欢迎光临！这里有美酒加乳酪。今晚幻灯机有点问题，但是只要再等一下下，就可以开始。对了，我是提摩艾利亚（Cesar Timo-Iaria）教授。我负责教这门课。”

　　话才说完，幻灯机便发出一声金属巨响，回荡在讲堂中，而幻灯机的亮光也立刻满溢在前方的银幕上。我还没来得及答话，他已经迅速转换位置，来到幻灯机后方，仿佛身经百战的将军站上舰桥去指挥。他熄了吊灯，等待第二首曲子响起之后，便开始兴高采烈的放起幻灯片来，那种喜悦，我只有童年在老家街边踢足球的时候，才亲眼见识和体验过。

　　我独自坐在乌七八黑的台下，接受“唐怀瑟”歌声的催眠，听它在大厅里回旋，一边观看一连串与医学完全不相干的影像，不禁又气恼又着迷。这是我有生以来，第一次在课堂上有这种感觉。

　　“请问您是教哪一门课？”我问。
　　“生理学导论，”提摩艾利亚教授看都没看我一眼。

　　为了确定自己没弄错，我又再仔细看了一下银幕。和所有医学生一样，我在好几年前就修过生理学导论，然而我怎么也看不出，眼前这些影像与我学过的生理学有关连。

　　“怎么可能？”我追问。
　　“什么东西怎么可能？孩子。”他反问，仍没正眼瞧我一下。
　　“这些怎么可能是生理学导论？您这些幻灯片，我是说，它们的主题，您在展示的只不过是……”
　　“是什么？”对于我的不自在，他似乎觉得很好玩，看起来这种反应他见多了。“继续说。告诉我，你为什么这样惊讶。”

　　这样的音乐，这样的影像，加上一名老先生，半夜在空旷的大讲堂里上课。完全没道理！半困惑、半恼怒，我终于不客气了。

　　“你放的片子净是些星星、银河。你看，现在又来一张电波望远镜。这在干嘛？这怎么会是生理学导论？”
　　“这个嘛，它是开端。一切从这里开始，从大霹雳到大脑，只不过一百五十亿年左右。了不起的旅程，是吧？我会一一解释。”

　　我望着一幅又一幅梦境般的影像：闪闪发光的螺旋星系、刚萌芽的星团、喧闹缤纷的星云、叛逆的彗星以及爆炸的超新星……都由仿佛专为宇宙众神所谱的乐曲陪衬下，鱼贯登场，一边聆听提摩艾利亚教授叙述这一部最后导致人类心智的史诗。

　　终于，行星诞生了。但大部分都保持荒芜状态，没有生命。可是，在至少一颗行星上，几十亿年前，一场有趣的实验导引出能够维持并复制生命的生化与遗传机制。于是万物欣欣向荣，奋力求生，始终充满了希望与启发，各自踏上完全无法预测、而且十分脆弱的演化之路。

　　接着，我看到了最早的人类影像。几百万年前，他们肩并肩，行走在衣索匹亚阿法沙漠（Afar Desert）的夜空下。然后，就在这一刻，当华格纳歌剧里的唐怀瑟，为了经历凡世而拒绝永生，终于在维纳斯堡获得自由时，我也经历到了那一刻：早期人类祖先第一次仰望头上无尽的星空，心中充满敬畏，脑中则刮起一场野火般的电风暴，忙着搜索直到今天依然折磨着我们的答案。我终于明白，当那些最早期的世间男女，胆怯又好奇的仰望天空时，一场既漫长又高贵的接力赛业已展开，它串联起所有人类，来找寻能解释我们的存在、意识以及周遭一切意义的基本答案。

　　的确，再没有比这张幻灯片，更适合做为历史上科学诞生的象征了。舰桥上的老将军，显然宝刀未老。

　　唐怀瑟的〈朝圣者合唱〉终曲音符渐渐消逝，宣告了最后一张幻灯片，它伫留在银幕上，而我俩也静默了好一会儿。这张幻灯片是人脑的侧面影像。几分钟后，提摩艾利亚教授打开灯，下了讲台，静静朝讲堂门口走去。在走出讲堂前，他回过身子，仿佛要跟我说再见。然而，他说的却是：“这是人体生理学导论的第一堂课。对了，刚才忘了提，我也教神经生理学高级班，第一堂课的时间是明天晚上。我强烈建议你也来上。”

　　还没有从震撼中回复过来的我，只想到一个问题，“我要怎样才能注册上这门课呢？”

　　踏出门口之前，提摩艾利亚教授又笑起来了，对于那晚毫不费力，就招到的这名终生门徒，提出他的第一项建议。

　　“你只要跟着音乐走，就对了。”

　　神经元交响曲

　　过去二十五年来，我经常记起提摩艾利亚教授那牢不可破的信念：在人类心智无尽的努力所产生的副产品中，音乐与科学方法是最令人惊艳的代表。这或许也说明了，为何我决定要终生致力于聆听另类音乐，聆听那种由全体大脑细胞一起创作出来的交响乐。

　　严格说，我是系统神经生理学家。至少，我的神经科学同行会这样界定我在杜克大学神经工程研究中心的实验团队的工作。这么说吧，我们脑袋里住着上千亿个神经细胞，这些细胞伸展出来的神经纤维，形成了各式各样的神经网路，而系统神经生理学家一辈子都在研究，到底是什么样的生理学原理，让这些神经网路得以运转。

　　这些精密的脑神经网路，足以令任何电子产品、电脑或是人造机械相形失色，因为脑神经网路的复杂度与连结性，比起任何电机产品，都超出了好几个数量级。也因此，每一个脑细胞，也就是神经元（neuron），都能与成百上千个其他神经元，直接接触与沟通。人脑就是透过这些连结繁密、高度动态的细胞网路（但是它们有一个相当乏味的名字，叫神经回路），才有办法执行主要任务：制造大量高度特化的行为，也就是我们常常自豪的通称为“人性”的东西。

　　这些精细的神经网路，确实能藉由驾驭大量仅有千分之一伏特的放电，让我们得以思考、创造、破坏、发现、包庇、沟通、征服、引诱、臣服、爱、恨、快乐、悲伤、团结、自私、自省、以及兴奋等等，它们贯穿在我们每一个人、我们的祖先、乃至所有人类的存在过程中。若非miracle（奇迹）这个字已经让其他领域给盗用了去，我相信，这个字眼的专利权应该许给神经科学家，用来报告大脑的神经回路执行例行工作时，有多么奇妙。

　　对于大部分系统神经生理学家（譬如我）来说，最终极的问题在于：到底是什么样的生理机制，让这些神经细胞电流的小爆冲，得以产生全套人类的动作与行为？然而，在寻找这只神经科学圣杯之际，过去两百多年来的诸多神经科学研究，已经先卷入一场激辩：脑里有哪些特化区域，负责特定的功能或行为？

　　功能定域化论者（localizationist）是其中一个极端，他们属于颅相学之父高尔（Franz Gall, 1758-1828）的传人，虽然通常不明说，但是他们到现在还深信：不同的脑部功能，是由不同的脑部特定区域产生的。

　　另一端，也就是我所谓的多工分散论者（distributionist），势力较小，但人数正在快速增加之中。他们主张：人脑在达成每一项任务时，都是藉由号召散布各处的神经元，来共襄盛举。

　　我和这群主张多工分散论的人，提出的理由是：人脑似乎有办法采用类似民主选举的生理机制，也就是由脑袋里散布在各个不同区域的大量神经元共同投票，决定最后的行为产物；尽管个别神经元的决定权都很轻微，而且不是“一人投一票”。

　　过去这两百年来，功能定域化论与多工分散论两个阵营，都选择了大脑皮质（cortex，大脑的最外层结构，也就是头骨下方的脑组织），做为这场没完没了的神经大辩论的主战场。这场战争的开端，可以回溯到颅相学风行的年代，颅相学家宣称：他们只需摸触一个人的头骨，搜寻能够反映“特定皮质区不成比例扩大” 的头骨隆起，就有办法判读当事人的个性，因为根据他们的学说，我们之所以产生诸如爱情、骄傲、自负、虚荣以及野心等等，都归因于不同的皮质区。按照颅相学家的说法，每一种人类情感与行为，皆是由特定的大脑皮质区产生的。

　　虽然高尔和他的伪科学终于被时代淘汰了，但是颅相学的基本架构却幸存下来，演变成二十世纪神经科学的重要教条之一。大约一百年前，第一代专职研究脑袋的学者，做了一系列让人眼睛一亮的实验，领导人物是西班牙的拉蒙卡厚尔（Santiago Ramon y Cajal, 1852-1934）。那些实验证明，头脑和其他器官一样，结构上的基本单位是个别的细胞，也就是神经元。然而，在几乎没有竞争对手的情况下，神经元很快又跃升为中枢神经系统在功能上的基本单位。由于神经元教条的地位扶摇直上，再加上法国生理学家布罗卡（Pierre Paul Broca, 1824-1880）于1861年提出一份非常抢眼的观察报告，发现左前额叶受损的病患，有可能严重丧失语言能力以及右半身瘫痪。一时之间，让多工分散论阵营慌了手脚。

　　不过，就在多工分散论阵营孤立无援时，薛灵顿（Charles Sherrington, 1857-1952）爵士伸出了援手。薛灵顿指称，即便是最简单的人脑功能“脊髓反射动作”，都必须靠大量的神经元与各种不同的神经回路巧妙合作，才能完成。

　　崭新的脑机介面

　　最近十年虽然没有出现决定性的发现，但是在这场攸关脑袋和灵魂的战争中，多工分散论阵营已经取得了优势。来自世界各地神经科学实验室的发现，正逐步推翻功能定域化论模型。在这场群策群力的奋战中，我在杜克大学的实验室过去二十年来所做的研究，也有一份贡献：我们确切证明了，单独的神经元，不再能视为脑袋的基本功能单位；相反的，相连的神经元集群（neural ensemble）才是脑袋创作思想交响曲的推手。

　　现在，我们已经有办法记录这些神经元合唱团创作的音乐，甚至还有办法以明确的自主运动行为方式，来重播一小段。而且，我们只不过聆听几百个神经元（就脑中上千亿个神经元来说，是极小的样本），就已经开始复制这个流程了，而复杂的思想就是藉由这个流程，即时化为身体的行动。

　　到底是什么样的原理，导引了这些神经交响曲的创作与演奏？潜心研究神经回路的作品长达二十年后，我发现自己不仅在脑袋外面的宇宙，搜罗到相似的原理（主要是从相对论和量子物理学），更在中枢神经系统的深处，摸索出十条神经生理学原理。我希望找出“脑袋自己的观点”，让它自己来表达。我认为，人脑和迷人的宇宙一样，也是一位深刻理解相对论、善用相对论性质的雕塑家，一位技艺高超的模型铸造者，能够把神经元集群的空间与时间，融合成一个有机的时空连续体，进而创造出我们称做“现实”的感官经验，包括自我存在感。

　　接下来的十三个章节，我要谈的是：未来几十年间，藉由将“人脑的相对论性（relativistic）观点”结合“日益精进的聆听与记录神经交响曲的技术能力”，神经科学最后一定能够让人类，突破目前脆弱的肉体及自我感觉的疆界。

　　对于这个想像的世界，我还满有信心的，我的实验室曾经教导猴子（详见第6章〈解放奥萝拉的脑〉），学习使用革命性的神经生理学新典范“脑机介面” （brain-machine interfaces，简称BMIs）。我们已藉由脑机介面来证明：猴子可以学会单靠脑袋中的脑电活动（也就是脑波），去指挥外界的人工装置，例如隔壁房间的机械臂、或是远在地球另一端的机械腿，让那些机械装置依照猴子的自主意向来运作。这些实验释出了许多“重新看待头脑与身体的关联”的可能性，最终将会彻底改造我们的生活方式。

　　为了测试不同形式的脑机介面，我们利用一种崭新的实验方法，直接即时读取同一神经回路里，数百个神经元的电讯号。发展这项技术的最初用意，是为了测试多工分散论者的观点：脑袋要执行任何功能，都需要脑中不同区域的神经元集群相互沟通。然而，一旦学会如何聆听脑袋里演奏的某些运动神经交响曲，我们决定更进一步，去记录、去解码、传送灵长类大脑皮质里的运动思想，而且是直接传送到地球的另一面（从美国传送到日本）。然后，我们将这些思想转译成数位指令，指挥机械装置做出像人类一样的动作，虽说该机械最初在设计时，并未具备这样的人类特征。

　　也就在那一刻，我们的脑机介面误打误撞的解放了大脑，让它不再受到身体的束缚，让它能够利用虚拟的电动机械装置，来控制实体世界。换句话说，单单只靠思想，就能控制周遭或遥远距离外的实体世界。本书将要讲述这些实验的故事，以及它们如何改变我们对大脑功能的理解。

　　对当今大部分人来说，我们的脑机介面研究造成的影响，主要落在医学领域。因为打造先进的脑机介面来阐明大脑的复杂运作之后，将能引导发展出神奇的新疗法，医治饱受神经性疾病之苦的患者。这些病患将能透过各种神经义肢技术，让原本无力的身躯，重拾活动力、感觉和感受。譬如，利用与心律调整器大小相仿的装置，来采集健康的脑电活动（脑波），然后协调薄如丝绸般的“可穿式机器人”的伸缩运动——这种外型像背心的机器人，细致程度有如第二层肌肤，但保护力却不输给甲虫的外骨骼。这件外衣不只能支撑起瘫痪者的体重，还能让先前不能动的身躯，开始漫步、奔跑，再度自由欢畅的探索这个世界。

　　脑袋不受身体束缚的新世界

　　然而，脑机介面未来的应用前景，远远超过医疗范围。我相信经过几个世代后，人们能展现的动作以及能经历的感官，现代人将难以想像，更别提用言语来形容了。脑机介面可能会彻底改变我们与人造器械的互动方式，以及我们与远方同类沟通的方式。

　　如果你想了解这个未来世界可能的样貌，首先你需要想像，一旦我们脑袋里的脑波，有管道能在这个世界上自由翱翔，有如今天在你我头顶上高来高去的无线电波，我们每日从事的例行事务将产生多大的变化！

　　请各位暂停阅读这本书，想像这样的一个世界：世人只需要动用思想，就能使用电脑、驾驶汽车、相互沟通。我们再也不需要大而无当的键盘或是液压方向盘了。甚至，我们再也不需要依靠身体动作或是口语，来表达自己的意图了。

　　在这个以脑为中心的新世界里，这种新取得的神经生理能力，将能让我们的运动、感知与认知技巧，流畅且毫不费力的扩张到一个新境界：人们的思想可以充分且完美的转译成当事人所需要的运动指令，不论是执行奈米工具的微细操作，或是智慧型工业机器人的复杂操作。有朝一日，在这样的未来世界里，当你坐在海滩小屋外你最心爱的椅子上，面对你最喜欢的大海，你可能可以很轻松的，就和世界各地的三五好友闲话家常——但是你不用忙着打键盘或是开口说话，你连一根肌肉都不必动，只要用想的就行了。

　　如果这还不够迷人，那么试想想看，假如能在不离开家的情况下，就能够亲身碰触到几百万公里外的星球表面，那种新奇的探险所带来的激动之情。你觉得怎样？

　　或是更精采的，如果你能接触到“记忆银行”里的资料，随时下载其中某位祖先的想法，透过他（或她）最私密的印象与鲜明的记忆，来创造一个你和他原本绝无可能分享的邂逅机会。你觉得有没有意思？

　　然而，如果真能生活在一个脑袋不受身体束缚的世界，究竟会替人类带来什么样的影响，以上这些场景都只能算是略窥一二。

　　要不了多久，如此奇妙的世界将不再是科幻小说情节。这样的世界，此时此地，正在你我的面前形成。如果想要沉浸其中，套一句提摩艾利亚教授的话，从下一页开始，你只要跟着音乐走，就安啦！

让老鼠用前爪按棒棒
  
令人惊讶的是，尽管评审委员对我们的提案反应不佳，国家卫生研究院却愿意赞助查品与我最早提出的脑机介面实验。经由这份小型研究合约，种子基金总算有了着落，1997年我们可以开始进行第一批实验，测量几只老鼠实地执行脑机介面的成效。
  
一开始，我们的脑机介面设计就纳入了一个完全闭合的控制回路装置。意思是，该脑机介面完全利用“脑部衍生讯号”，来控制一部很简单的人工装置的一维运动，而且在操作期间，实验鼠也能透过视野里的点滴资讯，持续了解该人工装置的表现。
  
连续好几个星期，查品和他的小组都忙着训练六只老鼠，过程缓慢又乏味，对神经科学家的耐性要求达到极致。首先，老鼠需要学会用前爪去按一根棒棒，而非用毛茸茸的屁股去按，虽说后者才是牠们的首选，因为大部分啮齿类动物遇到需要这样解决的行为谜题时，通常选择用后者。
  
等到老鼠学会如何按照我们的希望，用前爪来按棒棒，牠们又必须学习重复这个动作一段时间——每一节记录得持续好几分钟，以便提供足量的数据，喂进电脑、交给脑机介面。
  
在这套装置里，老鼠所按的棒子以电路连上一根金属杠杆，杠杆上装了一个小杯子。如果老鼠前爪的施力够精准，杠杆就会刚好停在一根滴水管下方。只要让小杯子停在那个位置一秒或两秒，老鼠就能用杠杆搜集到一滴清凉美好的费城自来水。然后，牠可以缓缓减轻前爪对棒子的施力，让杠杆将小杯子送回牠嘴边，牠就可以享用那滴清水了。
  
一旦老鼠把这个简单的任务操作得很熟练，我们会把一个微导线阵列，植入牠的主要运动皮质，为脑机介面搜集神经元的电活动。
  
下一个目标是，要老鼠重复整套取得饮水的过程，但这次杠杆换成由脑机介面来控制，而非牠的前爪。要达成任务，老鼠必须利用脑波来控制杠杆的移动，将清水送进自己的口中。
  

就在这个时候，我们进入了只能用“神经生理学之阴阳魔界”来形容的境界。在这儿，眼前最大的问题是：老鼠真的有办法理解“必须单独靠思考来弄到饮水，连一根触须都不必移动”的概念吗？

手术后经过几星期的复健期，查品的老鼠又重新回到实验室，准备几天后要开始第一次脑机介面测试。仔细检查过每只实验鼠的脑部植入装置，我们很开心的发现，每只老鼠在用前爪压棒棒时，我们都能辨认出多达四十六个运动皮质神经元的触发很强烈。藉由监看老鼠移动前爪去压棒棒时，同步产生的神经元活动。我们很快就明白，这些神经元大都是在展现“动作前活动”，也就是在制造某个身体动作之前200至300毫秒期间，由主要运动皮质区预先进行的准备工作。这一点意味着，我们将能够记录到足够让脑机介面运作的高品质脑波讯号。
  
现在，当老鼠使用前爪压棒棒时，查品将微导线阵列采样的运动皮质神经元制造的动作电位，统统记录下来。我们把平行电阻阵列连接到积分器，以便适当衡量每一个神经元的贡献（受限于我们电脑的处理能力，在每一节记录时，这个部分都得用人工处理）。接下来，把这些经过衡量的贡献加总起来，产生单一个连续类比“运动控制讯号”输出，这可创造出能够预测老鼠前爪自主运动的脑部衍生讯号。把这个衍生讯号输进杠杆控制器，就可以移动杠杆了。这个杠杆如今将可以即时复制老鼠脑中的自主运动意向。
  
在老鼠露出征兆，显示有能力自由转换“使用前爪或是用脑波来控制给水杠杆”后几天，查品决定要对这群毛茸茸的朋友，使出最后一招：他把棒棒与杠杆的连系切断了。这时，不管老鼠再怎么用力压棒棒，杠杆就是不动如山。气急败坏的老鼠们，不断重复压棒棒，但是一点用也没有，杠杆动也不动。就在这时候，一件几乎难以想像的事情发生了。
  
当查品打开脑机介面，允许鼠脑直接控制杠杆，老鼠对于这个突然出现的解套希望，反应就如同你我一样：牠们非常努力找出了一个移动杠杆的新方法，不是用前爪去压棒棒，而是只用想像，去做这件事。
  
刚开始，这些动作都有点保守犹疑，老鼠们也无法得到水滴奖赏。然而几次尝试成功后，当老鼠愈有能力用这种最不可能的给水系统喝到水，牠就愈发明白，自己能够只靠脑部活动，来制造完整的杠杆动作。虽然没有一只老鼠知道这是怎么回事，牠们这时产生的神经元触发时空模式，却很类似牠们用前爪控制杠杆系统时产生的时空模式。
  
和脑机介面装置互动几分钟之后，大部分老鼠都不再用前爪压棒棒了。经由试误，实验动物发现（我们这样假想），如果牠们只是瞪着棒棒，然后想像用前爪施压的那个动作，不知怎的，牠们就可以如愿喝到清水。当然，四只成功达成任务的老鼠并不知道，我们（尤其是查品）在诠释与制定牠们的口渴运动意向时，曾经碰上多少麻烦。牠们只是很开心能成为“第一批每次被放进那套实验室装置中，就可以不劳而获喝到清水的鼠类”。 

萝拉上场做实验
  
到了2002年冬天，我们小组已经准备好要开始“马内计画”（Project MANE，全名是the mother of All Neurophysiological Experiments，所有神经生理学实验之母）。
  
“马内”这个名词并非巧合，它让我想起儿时的偶像加林查（Manoel Garrincha），他是1958年和1962年巴西足球国家代表队的明星球员，接连赢得世界杯冠军，也为这个全球最受欢迎的美妙运动，缔造了难以超越的纪录。由于天生骨骼畸形，加林查的膝盖和小腿各朝不同方向弯曲，但是他学会利用这种罕见的身体构造，发展出过人的盘球技巧——臀部整个扭转，以及身体做出假动作。他亲身示范教导队友如何在球赛中满场飞舞，创造出一种精致的足球芭蕾舞，让足球成为脚的延伸。所有巴西人都知道，加林查的绰号就是马内（Mane）。
  
马内实验从设计到执行，样样马虎不得。有好几个演算任务和工程组件（其中个个又都含有许多新流程与零件）必须毫无瑕疵、即时运作，我们搜集的数据才能够派上用场。而且，就像许多史无前例的事，这个实验会跑出什么结果，很难预测。此外，要是没有鲁道夫（Alan Rudolph）深具远见的大力支持，我们永远没办法募得马内实验所需的经费。鲁道夫是成就卓著的科学家，当时是美国国防部高等研究计画署的一名计画主持人。
  
经过好几个月忙着装置大型硬体设施，制作新的电脑程式，修理各种电脑小毛病，以及哄劝奥萝拉打电玩。没想到，第一次测试的时间已经到了。
  
在我们准备开动实验的当儿，我们的谈话不时会被奥萝拉的声音打断，催促我们动作快一点。说真的，也不能怪她没耐心。历经好几个月密集训练后，最近几次原本很有希望的实验，竟都胎死腹中。不同的是，那天晚上，咱们的电脑（散放在实验室控制房的一张大实验枱上）没有当机，而是热切将我们喂给它的大批数据，一一吞下。
  
奥萝拉像平常一样，很舒适的盘踞在她最喜欢的一张椅子上，配备着时髦的摇杆、平面液晶显示器、以及果汁供应器，好让她在实验过程里爱喝多少果汁，就喝多少果汁。不远处，有一部五百一十二个频道的多神经元搜集处理器，是当时全世界最大的这类型机器，已经准备妥当，要记录奥萝拉的脑波。这一次运转，我们只会用到九十六个频道。
  
这天的小组主要成员有两位：过动的西班牙电子工程师卡梅纳（Jose Carmena），喜欢操作多台微电脑，每一台都接上两个显示器；俄国物理学家出身的神经科学家拉贝德夫（Mikhail Lebedev），在咱们的地下碉堡里晃来晃去，神态自若，他很知道如何平静顺当的解决问题。这两人也都是足球迷，那是不用提的了。值得一提的是，拉贝德夫对于马内计画还有一套特别管用的技巧：他曾经与奥萝拉共事过，深知她有多难缠。

控制室里的进展一切顺利。当卡梅纳在电脑堆里疯狂打转，测试它们的状态，我则继续透过一系列电视荧幕，从不同角度的摄影机，观察奥萝拉的“肢体语言”。

在控制室后面，我们安置了一具粗壮的工业用机械臂。手臂本身拥有七个运动自由度，末端有两根像手指的附加装置，可以抓住简单的物品，并牢牢握住。机械臂定在那儿，动也不动，它的人工肩膀和手肘微微伸展，整只手臂则是完全张开的，简直像是在恳求某人来操控它那缺乏生气的关节与马达，好做出一些有用且协调的动作，完成有意义的事。
  
快乐得嘀嘀咕咕，奥萝拉——或者我应该说，奥萝拉的脑袋，正准备要释放那难以想像的事物。在先前的尝试里，奥萝拉从不吝于让我们知道，要是机械臂失灵，错绝不在她。然而，今晚她却乖乖工作，毫无怨言。拉贝德夫走进实验室，绕过奥萝拉椅边堆着的电缆及设备，用俄文在她耳边喃喃低语。奥萝拉专心瞪着眼前的电脑荧幕，一边向其中一台监视摄影机扮了个鬼脸。看得出来，她很自得其乐。不过，从她那好奇的眼神看来，她的耐心就快要用光了，她想要马上开始实验。
  
等到拉贝德夫把奥萝拉房间的门一关，卡梅纳便打出开动信号，启动马内计画。就在这一刻，经年累月的辛苦研究，和数以千计重度瘫痪者恢复部分运动能力的期待，开始深深缠绕在一起了。
     
（摘自本书第6章〈解放奥萝拉的脑——用念力指挥机械臂〉。）