20世纪80年代兴起的赛博朋克科幻小说经常展示“神经植入物”，用于将计算设备直接连接到大脑：“我的头脑里储存了数百兆字节，”威廉·吉布森的小说《捍卫机密》的主人公宣称，这部小说后来被拍成了一部完全被人遗忘的、由基努·里维斯主演的电影。
当时新兴的这种类型的精妙之处（在兆字节仍然令人惊叹的年代）在于，它将低俗的复古文化与似乎仅略微超出最灵巧的生物医学工程师能力的技术并置在一起。尽管这些植入物无法在麻省理工学院或加州理工学院复制出来，但最优秀的赛博朋克作家给人的印象是，这些发明或许有一天会成为现实，甚至可能在读者自己的有生之年出现。
然而，在过去的十年里，最初在赛博朋克文学中唤起的技术的更现实的近似物已经出现。一位大脑内部植入电极的人仅仅使用神经信号就控制了一条假肢手臂，这是允许人类绕过因肌萎缩性脊髓侧索硬化症或中风而瘫痪的肢体的序幕。研究人员还在研究如何向另一个方向发送电信号，提供反馈，使灵长类动物能够真正感知到机械手臂正在触摸的东西。
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但是，在为大脑和其余神经系统制造替代部件方面，我们能走多远？除了控制电脑光标或机械手臂之外，这项技术是否会在某种程度上真正使大脑大约 1000 亿个神经元发挥作用，成为被盗工业间谍数据的秘密存储库，或另一个借用自吉布森的情节元素？
人会变成机器吗？
今天的好莱坞编剧和未来学家，作为最初的赛博朋克传统的技艺较差的继承者，已经接受了这些神经技术。《奇点临近》计划于明年上映，是一部基于计算机科学家雷·库兹韦尔的观点的电影，他认为人类最终将通过将他们大脑的数字蓝图转移到计算机或机器人中来实现某种形式的永生。
然而，像麦克斯·海德罗姆那样的化身被困在电视机里（或者作为复制粘贴到最新的人形机器人中的工作）而获得永生的梦想，与勒内·笛卡尔在 17 世纪思考身心二元论时相比，仍然只是稍微不那么遥远。自我的整体转移——对日出红润色调的感知的基于机器的复制品，不断变化的内在情感调色板以及其余的混合物，这些混合物结合在一起以唤起构成有意识生命本质的独特主观世界意识——仍然只不过是小说作家的道具。
此外，围绕意念控制假肢的热潮掩盖了人们对神经功能基本机制的知识匮乏，而这些机制是向大脑输入信息以重现现实生活中的赛博朋克体验所必需的。“我们对高级认知的脑回路知之甚少，”加州理工学院的神经科学家理查德·A·安德森说。
那么，大脑和机器之间的互动实际上可以实现什么呢？从第一次脑电图实验到脑控手臂和光标的进步，是否暗示了一种不可避免的、确定性的发展进程，即使不是朝着库兹韦尔式的奇点发展，也可能是朝着将至少一些高级认知信息输入大脑的可能性发展？我们是否可以下载《战争与和平》，或者，致敬《黑客帝国》，下载一本关于如何驾驶
直升机的操作手册？将“See Spot run”这句话铭刻在对转移过程无意识的人的记忆中怎么样？仅仅是“see”这个词呢？
这些问题并非完全是学术性的，尽管一些爱开玩笑的人可能会认为，买一副老花镜并以老式的方式做事会更容易。即使通往大脑皮层的管道永远是科幻小说中的虚构事物，但了解光子、声波、气味分子和皮肤上的压力如何转化为持久的记忆，将不仅仅是赛博朋克娱乐。基于对这些基本过程的了解而构建的神经假体可以帮助中风患者或阿尔茨海默病患者形成新的记忆。
原始的侵入方式已经存在于成千上万人的头骨内。失聪或重度听力障碍的人携带人工耳蜗，这种装置可以用麦克风拾取的声音刺激听觉神经——加州大学圣巴巴拉分校的神经科学家迈克尔·S·加扎尼加将这种装置描述为人类第一个成功的神经假体。作为人工视网膜的电极阵列正在实验室中研发。如果它们有效，可能会进行调整以赋予人类夜视能力。
将 Amazon.com 直接连接到海马体（一种参与形成记忆的神经结构）的更宏伟的目标需要尚未发明的技术。详细清单将包括在神经元和颅外世界之间建立可靠连接的方法——以及将数字版的《战争与和平》翻译成神经元彼此交流的语言的方法。通过研究脑机接口的领先工作，可以找到关于如何做到这一点的线索。
文本对您大脑的影响
将文本侵入大脑需要考虑是否将电极直接插入组织，这种障碍可能会使神经植入物对残疾人以外的任何人都不切实际。正如近一个世纪以来所知，无需打开颅骨即可检测到大脑的电活动。看起来像镶有电极的游泳帽可以传输来自瘫痪患者的信号，从而可以在屏幕上打字或实际浏览网络。德国蒂宾根大学的尼尔斯·比尔鲍默是这项技术的领先开发者，他断言，使用来自颅骨外部的磁信号对大脑皮层进行反复试验的刺激，以及使用电极帽记录哪些神经元被激活，可能能够定位单词“see”或“run”。一旦映射出来，这些区域就可以再次被激发，以唤起这些记忆——至少在理论上是这样。
一些神经技术专家认为，如果特定的词语驻留在大脑中的特定位置（这是有争议的），那么找到这些位置可能需要比有线游泳帽所能提供的更高的精度。正在进行的侵入性植入实验之一可能会导致所需的高精度定位。神经信号公司的菲利普·R·肯尼迪和他的同事设计了一种记录神经元输出的设备。这种连接让中风患者仅通过思考就向计算机发送信号，计算机将其解释为，例如，元音，然后可以通过语音合成器发声，这是形成完整单词的一步。这种类型的脑机接口最终也可能用于激活单个神经元。
更精确的连接可能由纳米级纤维提供，直径为 100 纳米或更小，由于其尺寸以及电气和机械特性，可以轻松地接入单个神经元。堪萨斯州立大学的 Jun Li 和他的同事们设计了一种刷状结构，其中纳米纤维刷毛充当刺激或接收神经信号的电极。Li 预见这是一种刺激神经元以缓解帕金森病或抑郁症、控制假肢手臂，甚至在长时间太空飞行期间弯曲宇航员肌肉以防止在零重力下发生的不可避免的肌肉萎缩的方法。
学习语言
要实现输入微积分课本的幻想——甚至在度假前插入《旅行者法语》——就需要对编码语言和其他神经表征的大脑信号有更深入的了解。
解开神经代码是神经科学中最严峻的挑战之一——并且，借用弗洛伊德的话来说，它很可能为理解意识铺平一条康庄大道。理论家们提出了许多不同的观点来解释数十亿神经元和连接它们的数万亿突触如何相互传递有意义的信息。最古老的观点是，代码对应于神经元产生的电压尖峰的放电率。
虽然速率代码可能足以应对某些刺激，但它可能不足以启动马塞尔·普鲁斯特或理查德·费曼，提供玛德琳蛋糕的心理屏幕截图或微分方程教科书的概念抽象。最近的工作集中在每个尖峰之间的时间间隔的精确计时（时间代码）以及神经元如何一起放电的不断变化的模式（群体代码）。
一些有助于下载到大脑的帮助可能来自一项为期十年的努力，即构建人工海马体以帮助记忆缺陷患者，这可能具有帮助研究人员深入了解编码过程的附带好处。南加州大学和维克森林大学之间的合作致力于为这种形成记忆的大脑结构制造替代身体部件。海马体位于大脑颞叶深处，在中风或阿尔茨海默病中会受到损害。受损海马体的电子旁路可以恢复创造新记忆的能力。该项目由国家科学基金会和国防高级研究计划局资助，最终可能会更进一步，增强正常记忆或帮助推断高级认知所需的特定代码。
由南加州大学的西奥多·W·伯杰和维克森林大学的塞缪尔·戴德怀勒领导的两个研究小组正在准备一份技术论文，表明人工海马体从生物器官手中接管了巩固大鼠按下杠杆以获得一滴水的记忆的任务。通常，海马体发出信号，这些信号被传递到负责存储体验的长期记忆的皮层区域。在实验中，一种化学物质暂时使海马体丧失功能。当大鼠按下正确的杠杆时，来自感觉皮层和其他区域的电输入通过微芯片传输，科学家们说，微芯片发出了海马体本应发送的相同信号。人工装置模拟海马体输出的演示将标志着朝着推断底层代码迈出了一步，该代码可用于在运动皮层中创建记忆——或许有一天可以解开甚至更高级别行为的密码。
如果可以确定“See Spot run”这句话的代码——或者甚至是一整本技术手册的代码，那么理论上，可以将它们直接输入到海马体（或皮层区域）中的电极阵列中，从而唤起《黑客帝国》中的场景，其中驾驶直升机的说明通过手机下载。人工海马体研究假设了一种稍微更平淡的场景。“[美国国防部]通常喜欢使用的例子是驾驶 F-15 的编码信息，”伯杰说。
人工海马体相关研究设想的神经输入模型的表面简单性可能会提出比它回答的更多问题。这样的植入物会覆盖现有的记忆吗？“See Spot run”这句话的代码对我来说会和你一样吗？或者对于一个以库尔德语为母语的人来说呢？海马体代码是否会与提供适当上下文（句子的语义框架）的其他电路干净地融合？“See Spot run”会被误解为洗衣事故而不是小跑的狗吗？
一些神经科学家认为，除非理解超越单纯的电压尖峰的读取，否则大脑的语言可能无法被破译。“仅仅获得大量信号并试图理解这些信号的含义并将它们与特定行为相关联是无法解决问题的，”洛桑瑞士联邦理工学院神经科学和技术主任亨利·马克拉姆指出。给定神经元或神经元群体的输入可以通过许多不同的途径产生特定的输出——例如，海马体将感觉输入转换为长期记忆。“只要有很多不同的方法可以做到这一点，你就还差得远，”他说。
马克拉姆领导的“蓝脑计划”是一项始于 2005 年的尝试，旨在利用基于超级计算机的模拟技术，在分子和细胞水平上对大脑进行逆向工程——首先对较简单的鼠脑进行建模，然后对人脑进行建模，以揭示神经过程的潜在功能。后一项任务有待于一台计算机，该计算机的处理能力比当前的超级计算机提高 1000 倍以上。实际的代码，当它出现时，其结构可能与今天教科书中出现的内容大相径庭。“我认为将会有一个概念上的突破，这将对我们思考现实的方式产生重大影响，”马克拉姆说。“这将是一件非常深刻的事情。这可能就是为什么这是一个如此棘手的问题。”
弄清楚如何将信息输入大脑所涉及的挑战表明，神经技术可能取得多大进展存在实际的、可预见的限制。形成构成记忆的大量连接的任务与磁化硬盘上的一组比特的任务截然不同。“像书本内容这样的复杂信息将需要大量脑细胞在神经系统非常大的区域内的相互作用，”布朗大学的神经科学家约翰·P·多诺霍观察到。“因此，你无法处理所有这些细胞，让它们在连接中存储正确类型的信息。因此，我想说，根据目前的知识，这是不可能的。”
向大脑写入信息可能仍然是一个迷失在网络空间中的梦想。但看似不可能的事实并没有让多诺霍对反向输入信息以及为重度残疾人开发脑控假肢的最终期望感到悲观。他一直是在大脑中植入多电极阵列研究的领导者，该阵列可以提供从皮层到假肢手臂甚至轮椅的直接线路。
多诺霍预测，在未来五年内，脑机接口将使瘫痪的人能够拿起杯子喝水，并且在遥远的未来，这些系统可能会得到进一步改进，以至于上脊髓损伤的人可能会完成不可思议的事情，甚至可以用假肢打篮球，这将使 20 世纪 70 年代的电视剧《无敌金刚》成为现实。即使没有通往大脑的信息管道，残疾患者和基础研究人员仍然可以从较差的替代品中获益。奥地利格拉茨技术大学的格特·普夫特舍勒和他的同事去年报告说，一名脊髓损伤患者仅仅通过思考就能够穿越虚拟环境，从模拟街道的一端移动到另一端。杜克大学的米格尔·A·L·尼科莱利斯是脑机接口领域的另一位先驱，他已开始探索连接到脑控假肢设备的猴子如何开始发展运动感觉意识、运动和触觉，这与进入其生物身体的感觉输入完全分离。“有一些生理学证据表明，在实验过程中，他们感觉与机器人的联系比与自己身体的联系更紧密，”他说。
这些研究最重要的后果可能不是神经植入物和机械手臂。通过“蓝脑计划”或其他模拟获得的对中枢神经系统发育的理解，可能使教育工作者了解教育儿童的最佳方式，并确定应在何时应用给定的教学技术。“你可以构建一个教育发展计划，该计划旨在在尽可能短的时间内让你获得某些能力，”马克拉姆说。如果他是对的，那么对神经植入物和大脑模拟的研究将比从 20 世纪科幻小说文学中汲取的将大脑视为闪存盘的梦想产生更有意义的实际益处。
注意：本文最初以“侵入大脑”为标题发表。