老游评书 | 脑电研究的博古论今 史料翔实的科学进程
《认识脑电波》
[美]R.道格拉斯·菲尔茨 著
20世纪初,对脑电波的检测是神经科学史上的重要进展之一。然而,人们对脑电波的意义,甚至脑科学都知之甚少。那些神经科学领域的学术巨擘究竟在做什么?已经获得哪些研究成果?美国作者R.道格拉斯·菲尔茨的新作《认识脑电波》将为读者答疑解惑。
菲尔茨是国际神经系统发育和神经可塑性研究领域的著名专家,他渴望与我们分享科学探索过程中那些令人振奋的雪泥鸿爪,希望为读者提供最新的科研成果,令读者有切身的感受,从而形成自己的观点。
在本书中,作者将带领我们进入世界各地的许多实验室,去了解当前正在日新月异和蓬勃发展的脑科学,并追溯这一科学发现的源头。通过回顾人类认知科学的简史,揭开人类思想之谜,探究脑科学如何实现人机交互,如何教我们学习。读者可跟随作者的视角深入大脑这一人体精密和高级的装置,了解思想的产生;深入梦境,剖析记忆和遗忘的机制;探究在现代医学中,脑科学如何在疾病诊疗中发挥作用。随着脑科学研究的不断深入,疯狂的企业家已将人机互动提上议事日程。
通过阅读,我们将看到这些实验室的理论如何走进市场,了解那些曾经出现在科幻电影里的场景究竟离我们还有多远。掩卷遐思,这是一本揭开人类思想之谜、令人脑洞大开的书,作者告诉我们思维的边界何在,有助于我们真正了解自己,并目睹人机互动正在从梦想照进现实。
一、大脑科学的全面科普
从20世纪初科学家首次瞥见脑电波的那一刻起,它就被视为复杂而神秘的信号。普罗大众对其中的许多问题并不清楚,如脑电波这个伟大的发现是如何取得的?谁是首先发现脑电波的人?是什么让这些人大胆地认为电磁波可能会从人的头部发射出来?他们以为自己发现了什么?其他科学家对此做何反应?为什么发现人类脑电波这件事多年来一直是个秘密?为什么这项工作没有获得诺贝尔奖?针对以上问题,作者均通过翔实的史料和通俗易懂的诠释给出了明确的答案。
作者认为,人体的个性是人体身份的核心特征,它产生于大脑的神经回路。智商是一个公认的衡量认知能力的指标,它与一个人的学识、个性特点及能力相关。了解脑电波并不复杂,任何真正感兴趣的人都可以轻松地理解这门学科。时至今日,神经科学家们依然在为脑电波而争论不休。有些人对脑电波嗤之以鼻,认为它只是大脑活动时产生的噪声,就像汽车发动机工作时会产生声响一样。其他人则认为脑电波是大脑在复杂的水平下运作的方式。这些科学家认为,脑电波能解释长期以来一直困扰着哲学家和科学家的有关人类思维的许多复杂问题。
尽管围绕脑电波的起源和功能而展开的科学争论始终存在,但是没有人怀疑通过监测和改变脑电波将会产生伟大的成果。比如神经科学家可以通过将脑电波输入计算机来控制软件、机器和假肢。通过脑电波,人和机器的融合可以达到无与伦比的水平,在感知、分析和解决问题方面都将远远超出计算机或人脑单独工作时的能力。再比如,心理学家通过分析一个人静坐并神游时的脑电波模式,可以判断此人的大脑是否正常。如果大脑的电磁振荡不正常,开发人员可以用计算机编程向患者发出信号,大脑获得这个反馈后会纠正其脑电波活动,患者不需要药物治疗即可痊愈。
现在人类有了操纵脑电波的能力,就会产生许多应用和伦理上的问题:用这种无创的方法将人的大脑与计算机连接起来,以了解人的大脑能或不能做哪些事情,这样做的风险和收益是什么?这种洞察人类天生的心理极限的技术将如何影响教育和职业选择?对于某些人来说,这项新技术可以通过电波控制思想或向大脑植入思想从而达到独裁之目的,这让他们深感恐惧。毫无疑问,人脑是一台生物机器,了解其运转机制并控制它,将为人们的健康带来福音,并实现哲学家、宗教领袖和科学家的雄心壮志。
二、脑电研究的博古论今
本书无疑是一部人类认知科学的简史,回顾了人类是如何逐步探索大脑这部超级复杂和精密装置的艰辛历程。透过心灵的电波看到我们的思想,探究大脑如何学习和运作,如何运用它让我们变得更好。时至今日,科学与世俗在有关大脑的问题上一直纠缠不清,我们只有厘清这些纠葛,才能找到正确的答案。
作者指出,德国人伯格是第一个进行人类脑电图试验、发现并记录人类头部发射出电波的人。伯格在患者、他的儿子甚至他本人身上进行了大量试验。结果表明,这些震荡的电波会因心理活动、觉醒、注意和感觉刺激等因素而改变,而且患有癫痫等疾病的人其脑电波形态会变得混乱。他的创新之举使科学界第一次看到人类思维运转的过程。具有讽刺意味的是,这位非常熟悉大脑缺血将致命的科学家,竟然选择了上吊自杀。
毋庸置疑,脑电波是近百年来电生理学领域最重要的发现。脑电图分析是指导医生治疗癫痫最强大的工具,如今它已经从诊断癫痫的手段迅速发展为诊治其他心理疾病的工具。通过监测脑电波,人们有可能在疾病恶化之前就判断它是否会发展成为阿尔茨海默病和失忆,从而进行早期干预。通过检测脑电波能发现心理障碍的神经学基础,并开辟从精确的电刺激到神经反馈训练的治疗新途径。人们对脑电波的产生、编码和协调大脑的信息处理等方面的研究已经取得长足进步,导致一场将大脑直接与计算机相连的技术革命。这项新技术被称为脑机接口,它使人的思维能够直接与计算机连接并控制轮椅、军用无人机等各种设备,同时也使得计算机发出信号来控制人脑成为可能。
脑电波研究在许多人看来就是天方夜谭,但其最令人着迷的是,这门学科对人们理解大脑的运作方式产生了革命性影响,这是一门充满活力的科学。从伯格对精神能量和心灵感应的探究,到克罗斯想用电火花再造生命,我们已经看到脑电波研究筚路蓝缕的艰辛历程。借助于义眼、假肢和人工耳,用电脑对瘫痪患者的脑电波提取分析后,就能让其实现自己梦寐以求的愿望,再次与现实世界进行互动。大量研究证据表明,改变脑电波作为一种相对安全的方法,可以使我们的大脑变得更好。如果你学会控制脑电波,就可以改善情绪、增强注意力、促进放松和冥想、减轻慢性疼痛、增强心理和身体机能。
三、科技进步的美好明天
回眸20世纪初,脑电图发现之时就有人写道:今天,大脑书写的信号对我们来说还是神秘的;明天,我们就可以解读神经和精神疾病;后天,我们就要开始用脑电波写生平第一封诚实的信件。毫无疑问,这些目标始终是人类不灭的梦想。经过科学家近一个世纪的不懈努力,我们知道这些生物电波可以揭示人们内心深处的秘密:有意识的思想,无意识的认知,以及在大脑中激荡的情绪。
如今脑电波在以下领域所取得的成就令人惊奇:读取人的想法、了解人的个性、预测人的行为、了解个人智力的优劣势、预计个人学习特定类型信息的潜能、诊断心理和神经系统疾病、将人脑与计算机连接、将思想在大脑间传递等。不仅如此,刺激大脑和其他操纵脑电波的方法可以改变你的大脑,驾驭脑电波将赋予人类前所未有的能力:通过直接影响大脑回路来控制行为,以及让机器控制大脑或用大脑控制机器。
日本正在开发一种利用驾驶员的脑电波来操纵的自动驾驶汽车,驾驶员将戴一款时髦又轻巧的头盔用于采集脑电波,其脑电波将被传输到车载电脑上。驾驶员无需做任何下意识的动作,汽车就会被自动引导。如今人机交互已不再是科幻,它正在因脑科学的飞速发展而逐渐走进现实。与其他身体器官不同,大脑是靠电力来运行的。因此,所有这些能改变我们的未来和对大脑理解的伟大科技进步都将有可能实现。
然而,作者提醒我们,科学就像一个拼图游戏,无论拼出来的图案看起来多么迷人,你都无法确信自己的作品是完整的。无论那些博人眼球的文章如何吹嘘,神经科学家其实至今仍不知道思想、情感和意图究竟是如何编码的。这种编码以神经冲动的形式穿过神经回路,变成振荡的脑电波扫过大脑组织。尽管神经编码仍然是一个谜,但是现在电脑可以利用高级机器学习来识别与特定感觉和运动功能相关的脑电活动模式,并将这些模式作为可靠的信号来指挥假肢设备执行功能。
作者坦言:科学就是在探索未知的世界,因此可能被难辨真伪的潮流裹挟,不时地陷入科学与伪科学纠缠的漩涡。科学研究被庸俗化及其所产生的轰动效应,可能会使科学家群体对其研究本身的看法产生扭曲。这样的教训古已有之,但时至今日依然改观甚微,这点尤其值得我们警惕。
文丨游苏宁(中华医学会继续教育部)
编排丨冯熙雯
校对丨王申冲
审核丨邢辰