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颠覆性医疗革命：未来科技与医疗的无缝对接 趋势19 虚拟数字大脑
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大脑是一个独一无二的器官，也是全宇宙最发达的器官。从心理学研究角度看，它具有很多有意思的特性。在一个经典的研究项目中，当只需要付出较少的代价参与时，学生们反而会觉得一个十分无聊的任务更有趣。下意识的意念对此的解释是，当人们不因为钱而做一件事的时候，一定会因为这件事有趣才去完成它。多任务能力、幻觉、服从权威（例如米尔格拉姆实验[1]）以及安慰剂效应，所有这些都凸显了我们在研究大脑时需要处理的是一个多么特殊的系统。
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日本科学家能够通过K计算机映射1秒钟的大脑行为。K计算机是世界上第四大超级计算机，它拥有705024个核处理器，140万GB（“千兆字节”）的内存。模拟具有17.3亿个神经元和10.4万亿个突触的神经网络需要千万亿次级的运算能力；在未来的十年里，借助具有亿亿次级运算能力的计算机，在单个神经元极其触突这个粒度模拟整个大脑或许能成为可能。
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2014年斯坦福大学宣布，他们正在研究一款能够模拟人类大脑行为的电路。这个被称作“神经网格”（Neurogrid）的电路目前能复制100万个人类神经元的过程，造就了比台式机快9000倍的计算机芯片。人类大脑只消耗“神经网格”3倍的能量，但神经元数量却是“神经网格”的8万倍。他们的长期目标是进一步研发这项技术，以使假体与人类意识的交互能力能达到像我们在科幻小说里看到的那样。斯坦福大学的一位首席研究员称，由于指数级增长的强大技术发展正在改变我们创新可能的领域，我们不再局限于达尔文的自然选择学说，我们将有能力扩展这方面的研究。
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InteraXon公司联合创始人兼CEO艾瑞儿·加藤戴着检测脑电图的头带Muse
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由欧洲委员会资助的人类大脑项目，其目的是为神经科学和大脑方面的研究构建全新的计算机基础架构，加强全球在理解人类大脑及其疾病方面的合作努力，最终模拟出人类大脑的计算能力来。这个项目有几百名研究人员参与，预计耗资11亿欧元。塞巴斯蒂安·承（Sebastian Seung）及其团队还在从事隶属于OpenWorm项目的映射大脑连接体的工作，他们的使命是通过计算机模拟一个线虫。2014年，欧洲科学家制作出了第一个人类大脑的超高清三维扫描。在美国，奥巴马总统最近批复了一个投入达1亿美元资金的大脑映射提案。这些例子说明，大脑研究向前发展的速度是惊人的。
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IBM公司的感知计算小组已经开发出了模拟神经元及其连接如何工作的芯片，他们甚至还能模拟创造新的连接器。一个被称为“突触”的芯片能够模拟256个神经元，这些神经元具有大约25万个突触连接。这个项目的长期目标是模拟100亿个神经元以及这些神经元的100万亿个连接，相当于接近人类大脑的能力，但其消耗的计算机能量将会越来越少。
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19世纪，穿孔卡片被用于控制自动织布机，通过穿孔卡片输入数据和命令到计算机。从1896年到19世纪70年代，这项技术都得到了很好的应用。键盘在19世纪60年代才出现，而1963年出现的第一个鼠标也仅仅是一块包括一个按钮和两个齿轮的木头。第一个光电鼠标出现在1980年，多点触摸出现在1984年。而像任天堂Wii和微软的Kinect这样的自然用户接口到21世纪才发布。这些是我们在与数字化设备交互形式方面不断扩展思维的方法，下一步就是要设计能用思维控制的脑机接口。
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我们正在越来越接近了解大脑到底是如何工作的，这也是人类一直在探求的东西。显而易见的障碍以及几乎无法解决的技术难题都在等着我们。
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在家测量脑电图
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1924年，汉斯·贝格尔（Hans Berger）记录下了第一个人类脑电图（EEG），测量人类在思考、睡觉、移动或者冥想时释放出来的微弱的电子信号。从那时起，如何在家准确且舒适地测量脑电图就成为了研究重点，然而这也并非像看起来的那么容易。
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艾瑞儿·加藤（Ariel Garten）就是一个非常好的例子，他向人们展示了作为一个具有神经科学、时尚设计和心理学跨学科背景的人，是如何致力于解决全球性的问题并开拓创新的解决方案。在订购了一个Muse之后（Muse是艾瑞儿·加藤创办的InteraXon公司开发的一款探测脑电波的头带），我和她探讨了该产品的诸多可能性。Muse是一款能检测大脑的头带，拥有7个感应器、5个在前额以及2个传导橡胶制成的SmartSense耳部传感器，其设计是为了甄别和测量大脑活动。尽管神经科学家普遍批评这样的应用以及提醒用户防范夸大这类设备功能的风险。通过蓝牙，可以在平板电脑或智能手机上获取测量结果。Muse的脑电图传感器探测由神经元的无意识活动产生电子频率。
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加藤的妈妈是一位艺术家，她大量的油画作品激发了加藤在高中时就发布了自己的一个服装系列，她的作品还在多伦多时装周上公开亮相。之后，她在史帝夫·曼（Steve Mann）教授的科学实验室工作，曼教授是控制理论和可穿戴计算机的开创者，他对人类大脑意识和技术之间的交互非常感兴趣。在实验室里，加藤和她的同事想到通过大脑活动触发音乐播放。不久之后，她就和特雷弗·科尔曼（Trevor Colemen）以及克里斯·阿莫尼（Chris Aimone）联合创办了InteraXon公司，并开始着手研发Muse——检测脑电图的头带。
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对我而言，真正的挑战是在我们的成员中找到一个经受着压力和情绪紧张的人。她开始在日常生活中使用Muse。一周后她回来找我，告诉我Muse是如何帮助她克服情绪上的挑战的。脑机接口的潜力和能力一直令我为之惊叹。
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早期的原型还包含了一个类似于其他生理反馈传感器的悬浮椅子，只有佩戴者使自己进入一种放松状态，这个椅子才会伴随着令人愉悦的音效向天花板方向升起。2012年，他们成功地在众筹平台Indiegogo上筹集了30万美元，远远超过最初设定的15万美元的目标。这项技术可能对于治疗注意力缺陷多动障碍（ADHD）非常有潜力；对癫痫病的治疗也有好处；还能教人们集中注意力，减少痛苦，提升感知能力、情商和记忆力，提升在体育方面的表现，以及减少压力和沮丧情绪。
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2014年5月1日，他们开始把Muse发送给数以千计的想在家测量脑电图的人，我也定购了一个。
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如加藤在这个领域所看到的，技术突破将是一个驱动力。随着越来越多的人使用它，一个不断增长的数据库将会产生数量巨大的数据。低成本的头带将会使技术市场更加大众化。现在，公众科学家[2]、开发人员以及研究人员都可以自己创建应用。
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脑电图以微伏计量，是心电图微伏的上千倍，但肌肉噪音会掩盖对电波的追踪，因此教育用户让数据变得清晰是非常重要的。事实上，早在20世纪50年代，对于脑电图技术人员而言，这一点就已经是标准技术的一部分了。保持平静或者做运动，能显示出什么时候大脑处于活动状态或是休息状态。基于用户能够训练自己如何更好地休息或集中注意力，Muse给出一个评分。用户需要花时间了解这些新型的可穿戴设备，以及它们能提供哪些可能的结果。保护个人隐私的安全性也是一个问题，但加藤已经消除了这些顾虑。
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一年半以前，当我给人们介绍Muse的时候，大家都会感到非常吃惊，但现在他们都迫不及待地想要试用。让人们了解到使用这样一个设备能够获取什么样的数据，教育是关键。并且，必须要确保用户的数据隐私安全，这可以通过使用加密技术来实现。此外，它只是测量大脑活动的趋势。
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作为一名各种开源运动的铁杆粉丝，我曾努力寻求一种提案，其目的类似于使脑电图测量更简单且全世界每一个人都很容易获得。而其挑战在于，未受过训练的人无法区分仿造和真实的脑波，因此，他们需要知道如何减少电极的阻抗以使所有的电极相等。每个人都能学习到这些，但需要花费时间，而且很难通过互联网或在没有特定设备的情况下完成。开放脑机接口（Open Brain Computer Interface, OpenBCI）项目把攻克这样的问题作为目标之一。康纳·卢苏曼努（Conor Russomanno）和乔尔·墨菲（Joel Murphy）成功地通过在线募资网站Kickstarter上筹得了超过他们最初寻求的10万美元两倍以上的资金。这项运动的目标是，使用美国国防高级研究计划局（DARPA）的一些资助，开发一套可负担的8通道脑电信号捕捉平台，即一个开源的脑机接口工具集，让任何人都能获取自己的脑波数据。2014年，OpenBCI发布了一个3D打印的类似头盔的脑电图设备，让每一个人能定制并打印自己的设备。打印出这个原型需花费7个小时。通过在线发布的所有相关文件，人们也可以制作自己的脑电图设备。
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康纳·卢苏曼努还在帕森斯设计学院教一门名为“数字化自我”的课程，我请他描述一下OpenBCI项目目前的进展情况。
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这个探索是去帮助解决一个最大的谜团，那就是感知失调的真正原因。当技术使得获取我们真正想要的信息成为可能时，奇迹就会发生。尽管脑机接口有可能对我们的日常生活产生巨大的影响，但对大多数人而言，脑机接口在技术上带来的结果可能并不明显（除了黑客和开发人员）。
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测量脑电图是非介入式脑机接口唯一的解决方案，但实用性是其面临的真正挑战。尽管目前市场上已经有许多很好的设备，例如Neurosky、Interaxon、Emotiv等公司的产品，但仍需要时间和努力来找到功能性和可穿戴性的最佳平衡。康纳·卢苏曼努认为，这是未来5到10年里非常赚钱的行业。想象一下，一个基于脑电图测量和实时反馈的具有个性化用药的医疗健康系统的发展前景。
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为了获取更高分辨率的数据，需要更多的电极，数据也是越多越好。通过应用脑电图，你是在试图通过观察头皮的电荷，来推理大脑内部神经网络和处理过程。这就好比观察海浪冲向岸边，然后推断地质板块正在漂移或者大海的中央正在刮大风一样。