脑机革命

2007年，当我的祖国巴西正式成为 2014年国际足联世界杯（下文简称世界杯）的主办国时，我萌生了一个想法：向全世界观众介绍现代脑科学研究的前沿技术，并展示这项技术在改善人类生活方面的巨大作用。经过5年的筹备，我希望将一段科学演示放到世界杯开幕式的舞台上。我想借此告诉所有人，一个“奇迹”正逐渐变得触手可及。全世界有数百万因严重脊髓损伤而瘫痪的患者，随着科技的发展和对人脑基本运作方式的新的重大认知，神经科学家们离一个伟大的目标越来越近了，那就是帮助这些患者重获行动能力。

在我设计的这段演示中，一位因脊髓损伤导致胸部以下完全瘫痪的巴西年轻人将为世界杯开出球。开幕式负责人听到这个宛如天方夜谭的计划后，当即问出了每个人都会提出的问题：“可是，截瘫的人怎么踢出这一脚呢？”我的回答让他更加困惑了：“通过大脑直接控制的下肢机械外骨骼。”我不慌不忙地说。

出人意料的是，主办方竟同意了我的设想。

现在，难题到了我手上：我需要将它变为现实。

为此，我筹建了一个非营利性国际科学联盟：“重新行走项目”（Walk Again Project）。在短短几个月内，几十名来自 25 个国家的工程师、神经科学家、机器人和计算机专家、物理治疗师、康复护理师和技术人员加入了这个项目。接下来的18个月是我人生中疯狂的一段时光，对于这个项目中的其他人来说可能也是如此。2013年11月，8名来自巴西的患者报名成为重新行走项目的志愿者，这是一群虽瘫痪在床，但心怀信念、意志顽强的人。此后的6个月，他们每天都按照一套独特的流程进行训练：开始时，他们需要想象自己移动双腿，如常行走。这个过程被称作运动想象。在之后的训练中，脑机接口仪器将记录他们的脑电活动并进行解码，得到的信息将被传输到下肢机械外骨骼。给患肢套上外骨骼，志愿者便可以通过运动想象，用意念控制自己的“机械腿”。

这一天终于来了。2014年6月12日下午3点33分，在这个凉爽的南半球冬日下午，朱利亚诺·平托（Juliano Pinto）（见图 0-1）努力挺直了躯干。他是重新行走项目的志愿者之一，在一个崭新的机械座舱的支撑下，紧张地站在这片平整的绿草地的一角。此时的球场上有6.5万名观众，而屏幕前有12亿世界各地的观众。平托在他们的注视下，静静地等待创造历史的时刻降临。

在这个决定命运的冬日下午，我和24名重新行走项目的成员就站在平托身后1米远的地方。象征着“吹响世界杯号角”的足球已经放在了他的右脚前。为了让世界看清平托身上的外骨骼是怎样运作的，我们在他身上贴了两条LED灯带，从头盔连接到机械腿的底端。当外骨骼启动时，灯带将一闪一闪地发出耀眼的蓝光。

我们准备好了！

平托已在轮椅上生活了近10年，他心中所有无处倾泻的能量、无从排解的痛苦和无法触碰的希望也已经积攒了10年之久，而它们将在这一瞬间随着他右腿的运动全部释放。仅仅6个月前，平托做梦也想不到自己这辈子还能完成这个简单的动作。在他的大脑产生包含着运动指令的电信号后，连接外骨骼的计算机将他的想法翻译成机械腿的运动序列。在那一刻，从头盔开始沿着整条机械腿一直延伸至脚踝的LED灯带闪烁的蓝光快速变换为绿光和黄光。

时间仿佛停止了。在这令人难以忘怀的1秒钟之内，在平托的身体和外骨骼的平衡系统的共同作用下，他的身体重心移动到了左脚上。然后，在机械金属外壳的轻轻带动下，他抬起右腿，摆出了纯正巴西式脚法的架势。抬到点时，平托的身体微微前倾，做好了全部准备，即将踢出这有史以来令人难以置信的一脚。

接着，随着平托的右脚撞击足球，足球轻柔地从边缘滚落到红木平台。他正站在这个平台上，像10年前那样挺拔地站着。他发出了响亮的、来自内心深处的呐喊，这是一声用无数汗水换来的呐喊。平托攥紧了拳头，在巴西灰色的天空下挥舞着，肆意庆祝着他的“进球”。这时才回过神来的我们感到无比震撼，一件了不起的事情刚刚发生了！我们跑向平托，将他团团抱住。这恐怕是世界杯史上参与庆祝的博士人数多的一次了。在拥抱和亲吻中，我们的泪水与平托的泪水交织在一起，他高声喊道：“我感觉到了球！我感觉到了球！”这个简单的句子深刻地概括了刚才发生的一切。

更多的惊喜还在前方。根据重新行走项目的临床方案，患者需要定期进行神经检查。这一开始仅仅是出于学术探究的目的，毕竟这些患者已经瘫痪多年，且受伤部位以下的身体失去了全部知觉。这些年中，患者们的临床状态不曾发生变化，因此，我们预计神经检查中也不会出现不一样的结果。然而有一天，一名女性患者告诉我们的物理治疗师，她在海边度周末时，她的双腿14年来竟次感受到了阳光的炽热。我们开始怀疑有一些不同寻常的事情正在发生。

人类终将被机器人取代奴役？“脑机接口”先驱米格尔·尼科莱利斯借助进化生物学、神经生物学、人工智能等多个领域的研究，给出了否定的答案：机器永远无法/超越人类“脑联网”。

人类“脑联网”有创造万物之力，也有毁灭自身之能。

如果人脑长期满足于社交媒体等数字系统带来的愉悦感，开始依赖它们来理解世界时，人脑的结构就会发生改变，创造力、同理心等人类特质也会逐渐丧失。人类不是被人工智能取代，而是自己主动沦为智慧平庸的“数字僵尸”。是让人工智能为人类所用，还是成为人工智能的“同类”？我们是时候做出选择了。

人类终将被机器人取代奴役？“脑机接口”先驱米格尔·尼科莱利斯借助进化生物学、神经生物学、人工智能等多个领域的研究，给出了否定的答案：机器永远无法/超越人类“脑联网”。

人类“脑联网”有创造万物之力，也有毁灭自身之能。

如果人脑长期满足于社交媒体等数字系统带来的愉悦感，开始依赖它们来理解世界时，人脑的结构就会发生改变，创造力、同理心等人类特质也会逐渐丧失。人类不是被人工智能取代，而是自己主动沦为智慧平庸的“数字僵尸”。是让人工智能为人类所用，还是成为人工智能的“同类”？我们是时候做出选择了。

米格尔·尼科莱利斯

世界科研机构巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人，美国杜克大学神经工程研究中xin创始人，现任杜克大学医学院神经生物学教授。

法国科学院院士、巴西科学院院士，常在《自然》《科学》等国际一/流学术期刊上发表论文。2004年，被美国科普杂志《科学美国人》评为全球zui具影响力的20位科学家之一。他的研究被《麻省理工科技评论》评为十大zui具突破性的科技创新之一。

2014年巴西世/界杯“机械战甲”发/明者。

推荐序   宇宙的一切真相都在人脑中

洪波

清华大学医学院教授

中文版序  大脑相对论，重新定位人脑的位置

前言 大脑，真正的万物创造者

第1章  大脑，一切精妙而复杂的“衍生故事”的开端

大脑相对论

一切都是大脑的投射

第2章  登上进化的舞台：对内布局，对外高度连接

大脑是一台“有机计算机”

人脑进化简史

第3章 信息与大脑：生命的意义在于消耗能量，从而使信息嵌入有机生物

能量耗散成为知识

大脑初始的三维结构

第4章 大脑的动态之能

大脑，我们神秘的造物主

神经元五大生理学原理，心智抽象的基础

第5章 大脑相对论：大脑如何工作以及为何它不能被复制

人类大脑为每个人“雕刻”出自我意识，也“雕刻”

出宇宙

橡胶手错觉实验

无法被任何机器模拟的机器

第6章  为什么真正的万物创造者不是一台机器

大脑是真正的创造者，而不是相反

图灵测试，所有混乱的开始

大脑，是一个不断涌现的复杂自适应系统

人的心智活动不能被简化为运行算法的数字系统

第7章  脑联网，人类社会行为之源

将 3 个独立大脑同时连到一台计算机上

用于运动控制的共享式脑机接口

“乘客”和“观察员”

神秘的镜像神经元

脑联网的 4 个机制

第8章  以大脑为中心，重塑我们的宇宙观

令人难以置信的美和力量

宇宙创造了大脑，大脑重建了宇宙

第9章  用空间、时间与数学构建一个宇宙

时间，一种彻底改变世界运行方式的新秩序感

语言，历史和计时这对双胞胎的母亲

空间，从定义、扩展到重塑

物理革命，让空间的范围爆炸好几个数量级

引力波，让宇宙发生连续的弯曲与折叠

宇宙中的一切都是人类大脑的造物

多模态校准，给予每个人对外部世界的共识模式

第10章  数学的肖像是一张人脸，追寻数学的真正起源

上帝是数学家？我们才是！

“数感”的能力是天生的

量子力学

我们所有人的宇宙

第11章 抽象是所有科学理论的基础

脑联网，人类大脑极易成为心智抽象的猎物

电子媒介让我们与全人类密切相关

• 数字逻辑沉迷如何改变了我们的大脑

相比于大规模失业，失去生而为人的特质更可怕

将掌控权交给机器，人类智能将退化为人工智能

结语  湮灭 Vs. 不朽，真正万物创造者的终选择

后记  创造宇宙，我们可能的物质现实的表达

致 谢

人类终将被机器人取代奴役？“脑机接口”先驱米格尔·尼科莱利斯借助进化生物学、神经生物学、人工智能等多个领域的研究，给出了否定的答案：机器永远无法/超越人类“脑联网”。

人类“脑联网”有创造万物之力，也有毁灭自身之能。

如果人脑长期满足于社交媒体等数字系统带来的愉悦感，开始依赖它们来理解世界时，人脑的结构就会发生改变，创造力、同理心等人类特质也会逐渐丧失。人类不是被人工智能取代，而是自己主动沦为智慧平庸的“数字僵尸”。是让人工智能为人类所用，还是成为人工智能的“同类”？我们是时候做出选择了。

米格尔·尼科莱利斯

世界科研机构巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人，美国杜克大学神经工程研究中xin创始人，现任杜克大学医学院神经生物学教授。

法国科学院院士、巴西科学院院士，常在《自然》《科学》等国际一/流学术期刊上发表论文。2004年，被美国科普杂志《科学美国人》评为全球zui具影响力的20位科学家之一。他的研究被《麻省理工科技评论》评为十大zui具突破性的科技创新之一。

2014年巴西世/界杯“机械战甲”发/明者。

第6章 为什么真正的万物创造者不是一台机器

这不是我次看到真正的万物创造者即将被取代的预测。自工业革命开始以来，类似的说法就经常出现。诚然，以前的竞争者没有一个能做到仅用1.23飞焦耳模拟一个突触。然而，三个多世纪以来，不断有预言家声称，人类大脑的特定技能很快会被人造工具所复制。无论在他们所处的时代，代表技术的是蒸汽机、机械设备、电子物件，或是自1936年以来精心设计的数字计算机，还是由成千上万个相互连接的微处理器组成的超级计算机，这种预言从未终止过。

所有这些冒险都难逃惨败的命运。

大脑是真正的创造者，而不是相反

自信息时代来临至今，人类便生出了一种不可阻挡的观念，即数字计算机终将取代人脑。有时，这种信念非常狂热，其支持者似乎认为这是一个神圣的预言，没有什么能阻止我们在不久的将来实现它。若能实现，这将是人类历具颠覆性的技术发展。然而，虽然未来学家、人工智能从业者和爱好者

做出了太多的预测，但是我们还没有找到任何确凿的证据证明其可行性。在过去的十几年中，由于没有确切的证据，人们经常只能提出一些相当稚嫩的观点。例如本章开篇提到的文章，认为只需适当地连接数以千亿计的类神经元和节能晶体管，然后按下电源按钮，我们便能再现大脑的复杂心智能力。

对此，我不敢苟同。

人类大脑的精密运作可以被简化成一种算法，并通过数字逻辑再现，这种观点充其量是一个后现代神话或者都市传说。它或许也是后真相时代的一个例子：在我们这个时代，如果一个错误或虚假的声明被强调了很多次，并在公众中广泛传播，人们便会信以为真。大脑的复杂性可以由简单连接大量电子元件重构的观点不仅与现实相去甚远，而且在深入研究后我们会发现，它完全没有成功的可能性：现在没有，以后也不会有。

持该观点的人很少静下心来思考这一点：人类的大脑才是数字硬件和软件的真正创造者，而不是相反。盲目地相信人造技术可以与其创造者背道而驰并超越创造者，意味着相信任何一种系统，比如人类大脑，都可以创造出比自己更复杂的东西。然而，这一论点的支持者们除了坚持不懈地宣传他们狂热的信仰之外，并不能令人信服地解释这额外的复杂性从何而来。我认为这一命题显然是错误的，因为它违反了许多公认的逻辑定理，包括哥德尔的两条不完备定理和由美国阿根廷裔数学家格雷戈里·蔡汀（Gregory Chaitin）提出的复杂性定理 （complexity theorem）。根据蔡汀的说法，一个形式系统（比如一个计算机程序）不能产生一个比自己更复杂的子系统（也就是另一个计算机程序）。约翰·卡斯蒂（John Casti）和维尔纳·德波利（Werner Depauli）在《逻辑、大脑与数学的一生》（Gödel: A Life of Logic, the Mind, and Mathematics）一书中将这一定理更正式地表述为：存在一些复杂到没有计算机程序能够生成的数字。

哥德尔的工作和蔡汀的工作密切相关，它们共同为以下假设提供了明确的逻辑边界：如果人脑是一个类似计算机的设备，并具有复杂度X，它实际上不可能产生类似超级智能的人造设备的东西，表现出大于X的复杂度。

由于数字计算机是这一比较的基准，我们在开始讨论时必须回到这一奇妙机器的历史起源。英国数学家和逻辑学家艾伦·图灵于1936年提出了一种抽象计算设备，现存的每一台数字计算机都代表了实现它的众多可能性之一。为了纪念图灵，人们把这一抽象计算设备命名为通用图灵机（universal Turing machine）。

从笔记本电脑到地球上强大的超级计算机，每一台数字机器的操作依然由这种心智结构定义。通用图灵机使用一个由用户编写的内部指令表，按顺序读取和操作输入机器的磁盘中的符号。当图灵机从磁盘中一个一个地读取符号时，它采用这个内部指令表或软件来执行各种逻辑运算，然后记录其结果。

听起来很简单是吗？然而，无论好坏，过去80多年的大多数技术突破，包括人类历具颠覆性的通信技术——互联网，都可以看作是在一位天才数学家的头脑深处精心设计的“抽象心智玩具”的衍生品。

所有自然现象都可以在数字计算机上模拟的这一想法，初在很大程度上源于对所谓的邱奇—图灵猜想的一个错误解释。这一猜想初由图灵和美国数学家阿隆佐·邱奇（Alonzo Church）提出。本质上，这一猜想认为，如果一个人能够提出一系列定义明确的步骤，即算法，来解决一个给定的数学方程或问题，那么数字计算机可以重现这种操作并计算出同一方程的解决方案。这个方程就可以被归类为一个可计算的函数。

所有的混乱都从这里开始。

掩卷一想，这其实还是一本脑机接口的书。尼科莱利斯教授只是不再关注如何连接大脑和计算机的具体技术，他开始思考人脑和宇宙、人脑和计算机之间的核心关系。答案是清晰有力的：人脑是宇宙的中xin，一切尽在脑中寻；人脑及其组成的脑联网，拥有计算机不可能具备的智慧。当我们热衷于讨论人工智能和脑机接口技术的时候，应该有同样深沉的哲学和文化思考。人类应该坚持做人类宇宙的创造者，而不是把自己命运的控制权交给机器。

洪波

清华大学医学院教授

《脑机革命》这本书再次呈现大脑的深邃和精妙，原创思想十足。“大脑相对论”的思想萌芽，第①次出现在尼科莱利斯的前作《脑机穿越》中，当时作者把神奇的大脑神经活动，比喻为“交响乐”。在这部精彩著作中，尼克莱利斯提出了一个颇具想象力的论断：能量耗散，使信息嵌入有机体的生命中。这一惊人的论断，或许开启了物质、能量、信息三者贯通的启示之旅。宇宙创造了生命，生命也重建了宇宙。尼科莱利斯的这部书，不啻为智能融合时代重塑世界观的思想指南。

        段永朝  

苇草智酷创始合伙人

财讯传媒集团shou席战略官

人类大脑是一台高速运转的“有机计算机”，它拥有独立的“自适应系统”和复杂的“运行逻辑”。那么，我们的“意识”如何发送？“记忆”该如何储存？“信息”又是否可以复制？翻开《脑机革命》，它会给你答案。

孙瑜

柔灵科技创始人兼CEO

尼科莱利斯正在推动一场“21世纪的启蒙运动”，人们会根据人脑衡量万事万物的方式，重新评估人类社会的老旧价值，并提出它的全新价值。

戈登·谢泼德

耶鲁大学医学院神经科学家

尼科莱利斯利用神经科学领域的知识构建理论基础，不断拓展和超越神经科学领域的思想。这一特点也是他的科学职业生涯的缩影。

罗恩·弗罗斯蒂希

加州大学欧文分校教授

尼科莱利斯的这本神奇之书讲述了一个伟大的冒险故事，展示了大脑在创造人类关于宇宙的概念中的核心作用。本书是多彩的、令人兴奋的、深刻的。尼科莱利斯是伟大的科学冒险家之一，这本书充分展示了他的专业知识和热情，阐述了万物起源的理论。

阿西夫·加赞法尔

普林斯顿大学神经科学教授