腦機革命（簡體書）

米格爾·尼科萊利斯

世界科研機構巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國際納塔爾神經科學研究所聯合創始人，美國杜克大學神經工程研究中xin創始人，現任杜克大學醫學院神經生物學教授。

法國科學院院士、巴西科學院院士，常在《自然》《科學》等國際一/流學術期刊上發表論文。2004年，被美國科普雜志《科學美國人》評為全球zui具影響力的20位科學家之一。他的研究被《麻省理工科技評論》評為十大zui具突破性的科技創新之一。

2014年巴西世/界杯“機械戰甲”發/明者。

• 腦機接口之父米格爾·尼科萊利斯繼《腦機穿越》之後又一部力作。
• 顛覆性提出“大腦中xin論宇宙觀”，從哲學角度結合歷史、藝術、物理學、辯證討論人類智能與人工智能的未來。
• 融合社會心理學、行為科學和神經科學的前沿思想，全/面闡釋人腦如何造就人類文明，又為何會令人類文明倒退。
• 清華大學醫學院教授洪波、葦草智酷創始合伙人段永朝、柔靈科技創始人兼CEO孫瑜、腦虎科技創始人陶伯虎、耶魯大學醫學院神經科學家戈登·謝潑德、加州大學歐文分校教授羅恩·弗羅斯蒂希、約翰斯·霍普金斯大學副教授馬歇爾·侯賽因·舒勒、普林斯頓大學神經科學教授阿西夫·加贊法爾等聯盟推薦。
• 湛廬文化出品。

2007年，當我的祖國巴西正式成為 2014年國際足聯世界杯（下文簡稱世界杯）的主辦國時，我萌生了一個想法：向全世界觀眾介紹現代腦科學研究的前沿技術，並展示這項技術在改善人類生活方面的巨大作用。經過5年的籌備，我希望將一段科學演示放到世界杯開幕式的舞臺上。我想借此告訴所有人，一個“奇跡”正逐漸變得觸手可及。全世界有數百萬因嚴重脊髓損傷而癱瘓的患者，隨著科技的發展和對人腦基本運作方式的新的重大認知，神經科學家們離一個偉大的目標越來越近了，那就是幫助這些患者重獲行動能力。

在我設計的這段演示中，一位因脊髓損傷導致胸部以下完全癱瘓的巴西年輕人將為世界杯開出球。開幕式負責人聽到這個宛如天方夜譚的計劃後，當即問出了每個人都會提出的問題：“可是，截癱的人怎麼踢出這一腳呢？”我的回答讓他更加困惑了：“通過大腦直接控制的下肢機械外骨骼。”我不慌不忙地說。

出人意料的是，主辦方竟同意了我的設想。

現在，難題到了我手上：我需要將它變為現實。

為此，我籌建了一個非營利性國際科學聯盟：“重新行走項目”（Walk Again Project）。在短短幾個月內，幾十名來自 25 個國家的工程師、神經科學家、機器人和計算機專家、物理治療師、康復護理師和技術人員加入了這個項目。接下來的18個月是我人生中瘋狂的一段時光，對於這個項目中的其他人來說可能也是如此。2013年11月，8名來自巴西的患者報名成為重新行走項目的志願者，這是一群雖癱瘓在床，但心懷信念、意志頑強的人。此後的6個月，他們每天都按照一套獨特的流程進行訓練：開始時，他們需要想象自己移動雙腿，如常行走。這個過程被稱作運動想象。在之後的訓練中，腦機接口儀器將記錄他們的腦電活動並進行解碼，得到的信息將被傳輸到下肢機械外骨骼。給患肢套上外骨骼，志願者便可以通過運動想象，用意念控制自己的“機械腿”。

這一天終於來了。2014年6月12日下午3點33分，在這個涼爽的南半球冬日下午，朱利亞諾·平托（Juliano Pinto）（見圖 0-1）努力挺直了軀幹。他是重新行走項目的志願者之一，在一個嶄新的機械座艙的支撐下，緊張地站在這片平整的綠草地的一角。此時的球場上有6.5萬名觀眾，而屏幕前有12億世界各地的觀眾。平托在他們的注視下，靜靜地等待創造歷史的時刻降臨。

在這個決定命運的冬日下午，我和24名重新行走項目的成員就站在平托身後1米遠的地方。象徵著“吹響世界杯號角”的足球已經放在了他的右腳前。為了讓世界看清平托身上的外骨骼是怎樣運作的，我們在他身上貼了兩條LED燈帶，從頭盔連接到機械腿的底端。當外骨骼啟動時，燈帶將一閃一閃地發出耀眼的藍光。

我們準備好了！

平托已在輪椅上生活了近10年，他心中所有無處傾瀉的能量、無從排解的痛苦和無法觸碰的希望也已經積攢了10年之久，而它們將在這一瞬間隨著他右腿的運動全部釋放。僅僅6個月前，平托做夢也想不到自己這輩子還能完成這個簡單的動作。在他的大腦產生包含著運動指令的電信號後，連接外骨骼的計算機將他的想法翻譯成機械腿的運動序列。在那一刻，從頭盔開始沿著整條機械腿一直延伸至腳踝的LED燈帶閃爍的藍光快速變換為綠光和黃光。

時間仿佛停止了。在這令人難以忘懷的1秒鐘之內，在平托的身體和外骨骼的平衡系統的共同作用下，他的身體重心移動到了左腳上。然後，在機械金屬外殼的輕輕帶動下，他抬起右腿，擺出了純正巴西式腳法的架勢。抬到點時，平托的身體微微前傾，做好了全部準備，即將踢出這有史以來令人難以置信的一腳。

接著，隨著平托的右腳撞擊足球，足球輕柔地從邊緣滾落到紅木平臺。他正站在這個平臺上，像10年前那樣挺拔地站著。他發出了響亮的、來自內心深處的吶喊，這是一聲用無數汗水換來的吶喊。平托攥緊了拳頭，在巴西灰色的天空下揮舞著，肆意慶祝著他的“進球”。這時才回過神來的我們感到無比震撼，一件了不起的事情剛剛發生了！我們跑向平托，將他團團抱住。這恐怕是世界杯史上參與慶祝的博士人數多的一次了。在擁抱和親吻中，我們的淚水與平托的淚水交織在一起，他高聲喊道：“我感覺到了球！我感覺到了球！”這個簡單的句子深刻地概括了剛才發生的一切。

更多的驚喜還在前方。根據重新行走項目的臨床方案，患者需要定期進行神經檢查。這一開始僅僅是出於學術探究的目的，畢竟這些患者已經癱瘓多年，且受傷部位以下的身體失去了全部知覺。這些年中，患者們的臨床狀態不曾發生變化，因此，我們預計神經檢查中也不會出現不一樣的結果。然而有一天，一名女性患者告訴我們的物理治療師，她在海邊度周末時，她的雙腿14年來竟次感受到了陽光的熾熱。我們開始懷疑有一些不同尋常的事情正在發生。

推薦序 宇宙的一切真相都在人腦中

洪波

清華大學醫學院教授

中文版序 大腦相對論，重新定位人腦的位置

前言 大腦，真正的萬物創造者

第1章 大腦，一切精妙而複雜的“衍生故事”的開端

大腦相對論

一切都是大腦的投射

第2章 登上進化的舞臺：對內布局，對外高度連接

大腦是一臺“有機計算機”

人腦進化簡史

第3章 信息與大腦：生命的意義在於消耗能量，從而使信息嵌入有機生物

能量耗散成為知識

大腦初始的三維結構

第4章 大腦的動態之能

大腦，我們神秘的造物主

神經元五大生理學原理，心智抽象的基礎

第5章 大腦相對論：大腦如何工作以及為何它不能被復制

人類大腦為每個人“雕刻”出自我意識，也“雕刻”

出宇宙

橡膠手錯覺實驗

無法被任何機器模擬的機器

第6章  為什麼真正的萬物創造者不是一臺機器

大腦是真正的創造者，而不是相反

圖靈測試，所有混亂的開始

大腦，是一個不斷涌現的複雜自適應系統

人的心智活動不能被簡化為運行算法的數字系統

第7章 腦聯網，人類社會行為之源

將 3 個獨立大腦同時連到一臺計算機上

用於運動控制的共享式腦機接口

“乘客”和“觀察員”

神秘的鏡像神經元

腦聯網的 4 個機制

第8章 以大腦為中心，重塑我們的宇宙觀

令人難以置信的美和力量

宇宙創造了大腦，大腦重建了宇宙

第9章 用空間、時間與數學構建一個宇宙

時間，一種徹底改變世界運行方式的新秩序感

語言，歷史和計時這對雙胞胎的母親

空間，從定義、擴展到重塑

物理革命，讓空間的範圍爆炸好幾個數量級

引力波，讓宇宙發生連續的彎曲與折疊

宇宙中的一切都是人類大腦的造物

多模態校準，給予每個人對外部世界的共識模式

第10章  數學的肖像是一張人臉，追尋數學的真正起源

上帝是數學家？我們才是！

“數感”的能力是天生的

量子力學

我們所有人的宇宙

第11章 抽象是所有科學理論的基礎

腦聯網，人類大腦極易成為心智抽象的獵物

電子媒介讓我們與全人類密切相關

• 數字邏輯沉迷如何改變了我們的大腦

相比於大規模失業，失去生而為人的特質更可怕

將掌控權交給機器，人類智能將退化為人工智能

結語 湮滅 Vs. 不朽，真正萬物創造者的終選擇

後記 創造宇宙，我們可能的物質現實的表達

致 謝

第6章 為什麼真正的萬物創造者不是一臺機器

這不是我次看到真正的萬物創造者即將被取代的預測。自工業革命開始以來，類似的說法就經常出現。誠然，以前的競爭者沒有一個能做到僅用1.23飛焦耳模擬一個突觸。然而，三個多世紀以來，不斷有預言家聲稱，人類大腦的特定技能很快會被人造工具所復制。無論在他們所處的時代，代表技術的是蒸汽機、機械設備、電子物件，或是自1936年以來精心設計的數字計算機，還是由成千上萬個相互連接的微處理器組成的超級計算機，這種預言從未終止過。

所有這些冒險都難逃慘敗的命運。

大腦是真正的創造者，而不是相反

自信息時代來臨至今，人類便生出了一種不可阻擋的觀念，即數字計算機終將取代人腦。有時，這種信念非常狂熱，其支持者似乎認為這是一個神聖的預言，沒有什麼能阻止我們在不久的將來實現它。若能實現，這將是人類歷具顛覆性的技術發展。然而，雖然未來學家、人工智能從業者和愛好者

做出了太多的預測，但是我們還沒有找到任何確鑿的證據證明其可行性。在過去的十幾年中，由於沒有確切的證據，人們經常只能提出一些相當稚嫩的觀點。例如本章開篇提到的文章，認為只需適當地連接數以千億計的類神經元和節能晶體管，然後按下電源按鈕，我們便能再現大腦的複雜心智能力。

對此，我不敢茍同。

人類大腦的精密運作可以被簡化成一種算法，並通過數字邏輯再現，這種觀點充其量是一個後現代神話或者都市傳說。它或許也是後真相時代的一個例子：在我們這個時代，如果一個錯誤或虛假的聲明被強調了很多次，並在公眾中廣泛傳播，人們便會信以為真。大腦的複雜性可以由簡單連接大量電子元件重構的觀點不僅與現實相去甚遠，而且在深入研究後我們會發現，它完全沒有成功的可能性：現在沒有，以後也不會有。

持該觀點的人很少靜下心來思考這一點：人類的大腦才是數字硬件和軟件的真正創造者，而不是相反。盲目地相信人造技術可以與其創造者背道而馳並超越創造者，意味著相信任何一種系統，比如人類大腦，都可以創造出比自己更複雜的東西。然而，這一論點的支持者們除了堅持不懈地宣傳他們狂熱的信仰之外，並不能令人信服地解釋這額外的複雜性從何而來。我認為這一命題顯然是錯誤的，因為它違反了許多公認的邏輯定理，包括哥德爾的兩條不完備定理和由美國阿根廷裔數學家格雷戈裡·蔡汀（Gregory Chaitin）提出的複雜性定理 （complexity theorem）。根據蔡汀的說法，一個形式系統（比如一個計算機程序）不能產生一個比自己更複雜的子系統（也就是另一個計算機程序）。約翰·卡斯蒂（John Casti）和維爾納·德波利（Werner Depauli）在《邏輯、大腦與數學的一生》（Gödel: A Life of Logic, the Mind, and Mathematics）一書中將這一定理更正式地表述為：存在一些複雜到沒有計算機程序能夠生成的數字。

哥德爾的工作和蔡汀的工作密切相關，它們共同為以下假設提供了明確的邏輯邊界：如果人腦是一個類似計算機的設備，並具有複雜度X，它實際上不可能產生類似超級智能的人造設備的東西，表現出大於X的複雜度。

由於數字計算機是這一比較的基準，我們在開始討論時必須回到這一奇妙機器的歷史起源。英國數學家和邏輯學家艾倫·圖靈於1936年提出了一種抽象計算設備，現存的每一臺數字計算機都代表了實現它的眾多可能性之一。為了紀念圖靈，人們把這一抽象計算設備命名為通用圖靈機（universal Turing machine）。

從筆記本計算機到地球上強大的超級計算機，每一臺數字機器的操作依然由這種心智結構定義。通用圖靈機使用一個由用戶編寫的內部指令表，按順序讀取和操作輸入機器的磁盤中的符號。當圖靈機從磁盤中一個一個地讀取符號時，它採用這個內部指令表或軟件來執行各種邏輯運算，然後記錄其結果。

聽起來很簡單是嗎？然而，無論好壞，過去80多年的大多數技術突破，包括人類歷具顛覆性的通信技術——互聯網，都可以看作是在一位天才數學家的頭腦深處精心設計的“抽象心智玩具”的衍生品。

所有自然現象都可以在數字計算機上模擬的這一想法，初在很大程度上源於對所謂的邱奇—圖靈猜想的一個錯誤解釋。這一猜想初由圖靈和美國數學家阿隆佐·邱奇（Alonzo Church）提出。本質上，這一猜想認為，如果一個人能夠提出一系列定義明確的步驟，即算法，來解決一個給定的數學方程或問題，那麼數字計算機可以重現這種操作並計算出同一方程的解決方案。這個方程就可以被歸類為一個可計算的函數。

所有的混亂都從這裡開始。