2009年12月24日星期四

科学松鼠会

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【美国科学写作精选导读四】以科学之名,解构战争

Thu, 24 Dec 2009 14:26:03 +0800

 《百无一用是战争》

 War! What Is It Good For? Absolutely Nothing: From Discover, by John Horgan

Iraq

Iraq

标题的这句"战争无用"的宣言,出处是越战时期反战艺术家Edwin Starr的一首歌

可是,如果你相信《1984》的预言,那么战争非但不可避免,而且还是滚动人类社会这个大转盘的唯一动力。人类既然贵为进化链条的最末端,自然免不了原罪——大自然在我们的基因中早就安排了侵略性。

要把这个原罪去掉,是无视几百万年的进化在我们身上的沉淀。绝大多数的成人不相信战争可以避免,甚至比不相信有圣诞老人的还多。(好吧,这一点没有数据,是我编造的)

知识分子是很可爱的一群人,其可爱之处在于:他们的智慧经常被他们的善良愿望绑架。

在战争是不是能避免这件事上就是这样,其中包括名气冲天的德瓦尔。德瓦儿主张做爱高于一切,用性交解放全人类,我在另一篇短文中介绍过的(单向街里的双面镜)。

Pan Paniscus Apes, more commonly known as bonobos, live peacefully, in part because of the abundant resources in their Congo habitat.

Pan Paniscus Apes, more commonly known as bonobos, live peacefully, in part because of the abundant resources in their Congo habitat.

且来看看德瓦儿们下的药方:资源丰富,至少食物充分;互相依赖,谁都离不开谁;增加母权,务必让妇女大过半边天。

我有几点存疑。

第一,我相信面包不但会有,而且种类数量都将极大、极大地丰富。在今天,如果哪个面包师当了国王,不拿面包恶心死你没商量。

问题在于,面包无限而鲍鱼是有限,尽管鲍鱼一点都不好吃。面包的极大充分,更放大了鲍鱼的贫瘠。资源的绝对丰富,不能取代对部分"稀缺"资源的争抢,即使稀缺的是特别难吃的鲍鱼。

不为面包死,要为鲍鱼生,怎么办?

第二,至于互相依赖唇齿共存,那是大好事,就像我的台湾朋友很高兴大陆国企的资金流入台湾:谁舍得砸自己的金饭碗呢?

不过有本冷战小说给了个这样的结尾:苏联人给逼急了,警告美国大鼻子说别胡来啊,再胡来就发导弹了。大鼻子说你忽悠什么啊,老毛子就真按了发射钮。导弹飞过来的时候大鼻子还想跟老毛子讨价还价,让他们把导弹在空中自爆。老毛子说,抱歉,没那回事,我那个导弹,不飞到你家门口是不会炸的……

共存亡是决心,不是理性。

至于增加母权,有没有想过女性之所以普遍热爱和平,可能正因为她们对权力的放弃? 

还是某人说得对:太Simple,Sometimes Naive!!

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《当夜叉全是母的》

Face-Offs of the Female Kind, by Marina Cords, from Natural History

Blue Monkey

Blue Monkey

一群野蛮"老祖母",为了七寸三分地和邻居们大动拳脚,经常弄得皮开肉绽,血肉淋淋。

这篇文章活脱脱是"野蛮女友"的原始版,作者Marina Cords是哥伦比亚大学的生态、进化和环境系的教授。在非洲的丛林中,Cords跟踪这叫做蓝猴的族群已经六七年了。蓝猴打仗的时候,和美国橄榄球的大赛很像,你攻我守,划分疆域。区别在于,打架的事母猴子们来干,而公猴们则稀稀拉拉地在后面围观,有精神头才叫叫好,权当吊吊嗓子。

看到这里,各位屏幕前的男猴子们是否也很有叫好的冲动?:)

All for gene

All for gene

生命的意义在于传递基因,这进化的原动力和性别无关。而性别之间的分工之所以是这样而不是那样,也是进化的"设计"。既然如此,蓝猴中的这个现象就颇奇特。

Cords的解释是说,蓝猴中的某个平衡点被破坏了。在那里,公猴是被彻底惯坏了,孩儿生下来之后主要是母猴来打理。这么一来,公猴找到母猴埋下种子就可以撤了——他的基因已经传下去了。就这样,当母猴保卫她的基因的载体——孩子——的时候,就不得不独自战斗到底。

蓝猴的这个现象,是很蹊跷。Cords的推测不怎么让人信服,让人觉得这帮蓝色老祖母极其弱智,至少很是短视,让那帮公猴如此赚了便宜。

这文章的教育意义在于,又有一个新的理由让母亲们别太溺着孩子。如果管得太宽,甚至不让家里的那一位扎扎尿布,那就对不起了,到时候就不得不管得更宽,里里外外包揽一切。

baby blue monkey

baby blue monkey

嗯,热爱和平的德瓦儿们也应该再想想:母性不一定热爱和平,至少愚蠢的母性不是。

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《遭遇滑铁卢的金水稻》

Tough Lessons from Golden Rice, by Martin Enserink, from Science

金水稻不含金,否则盗墓的都要集体改行了。

Golden Rice

Golden Rice

之所以叫这个名字,是因为这种转基因大米略显金黄色,而且富含维他命A。每年有近五十万的儿童因为缺乏维他命A而失明,其中半数会在一年内死亡。我的一个大学同学因为小时候缺少维他命A,这几年视力急剧下降。

从1984年洛格菲勒基金会和科学家们的一次聚谈开始,到1992年真正启动,到本篇文章的主人公瑞士ETH的Potrykus和德国的Beyer两人1992年开始合作,再到1999年第一次试验成功,一共花了十五年。1999年,Potrykus和他的金水稻上了时代周刊的封面,上书一个特别煽动性的标题:能救活百万儿童的水稻。

可是接下来的十年却是意想不到的艰难。

金水稻的普及举步维艰,一直到2008年,才在菲律宾开始试种,在中国推广也十分迟缓。这一切,让Potrykus和他的同事感到十万分的沮丧。这到底是为什么?

Golden Rice

Golden Rice

他有不少敌人,但最要命的是被绿色和平组织盯上了。这个组织在反对转基因食品上从来不遗余力,而且不择手段。话虽这么说,对金水稻他们还是犹豫过一下的:毕竟这不是大公司企图拓展新市场,而是一个还在研发阶段的、以救人为目的的科学项目。

但Potrykus没能说服对方,后面的事情就火药味越来越浓,演变得不可收拾。绿色和平在媒体上阴招迭出,让几个科学家哭笑不得;所谓和平也是空话——他们的试验棚不得不加固到可以防爆。

比尔及梅琳达基金会推进的工程里,转基因食物工程是其中一项,计划花费三千六百万致力于加强维他命A、锌和铁在水稻、高粱和香蕉的含量(请参看这里)。B哥足够聪明,也足够谦虚,他这么做一定是有道理的。别忘记,B哥是个工程师,没那么多弯弯绕:人都要饿死了,还扯什么其他的?

起名字是个很复杂的事。比如说,绿色和平组织,就可以问:是绿色重要,还是和平重要?

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Best American Science Writing 2009

Best American Science Writing 2009

这本书是《美国科学写作精选2009(Best American Science Writing 2009)》

本书一共24篇文章,都来自纽约客、纽约时报、华尔街日报、科学、Wired等优质报刊,出自活跃在一线的科学家和身经百战的记者之手,横跨天文、医学、心理等 等科学领域,写得生动活泼,深入浅出。

以后会定期在每周四放出一篇导读,里面介绍两到三篇原文,目的是希望大家保持一定的阅读节奏,努力点击竹人辛苦找到的原文链接。

【美国科学写作精选导读一】我们为什么阅读科学?

【美国科学写作精选导读二】脑中的旅程

【美国科学写作精选导读三】用科学阅读现实的黑暗

 (编辑 小姬)

 

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思考的力量

Thu, 24 Dec 2009 11:00:04 +0800

斯蒂芬·霍金瘫坐在轮椅上,脸上挂着他那著名的神秘微笑。在我第一次读他的《时间简史》时,他还有三根手指能够活动;但是当几年后我再买到精装本《果壳中的宇宙》时,他只能靠一只手指,将脑中奔流不休的思绪缓缓敲在一块小键盘上。而几乎可以确定,在未来的某一天,这位把在人迹罕至的理论物理学界的成就和通常仅为影星和摇滚歌星保留的盛名集于一身的老人,只能将他深邃的思考永远禁锢在一具瘫软无力的肉体当中。

除非,我们能从这颗天才的头颅中,将无形的思考,转换成一个更加清晰的世界,让潜水钟般沉重身体里的思绪,能够像蝴蝶一样轻盈地自由飞翔。

幸运的是,随着脑机接口的发展,这并非绝不可能。

进化

更高、更快、更强。这不仅是奥林匹克运动会的口号,也是人类文明进步的方式。机械工具延伸了人的手,交通工具延伸了人的脚,互联网和通讯产品延伸了人的耳和嘴甚至大脑。但软弱的肉体和大脑对神经和肌肉的依赖,数千年来总让人们无计可施。

直到1924年,人类的面前出现了一道曙光,得以一窥大脑的奥秘。这一年七月的一个傍晚,德国医生汉斯·贝格尔(Hans Berger)第一次从颅骨受损的病人头部测到了极为微弱的电流。在经过近五年的漫长实验后,他终于确认了这种神秘的电流的确来自于脑部活动,并且给自己发明的这种测量方法命名为脑电图(EEG,electroencephalogram)。他从一千多张脑电记录中发现了脑电的部分规律,并且将人们清醒并闭眼时的脑电波定义为阿尔法(α),而将睁开眼睛时的脑电波定义为贝塔(β)。

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随后的几十年,人们又找到了其他一些频率的脑电波,并且把它们和大脑的状态对应起来:熟睡时的德尔塔(δ)、困倦、冥想或被催眠时的西塔(θ)、进行复杂的思想活动或者情绪波动时的伽玛(γ)、以及只能在掌管运动的区域探知的缪(μ)。脑电图开始逐渐成为脑部诊断的必备工具,意识的生理基础不再是一个需要争论的哲学命题。

然而贝格尔医生没有等到EEG大放异彩的那天。在他逝世的时候,电子计算机还没有被发明出来。当电脑和人脑联合时将会必然发生的巨变,怕是连贝格尔医生自己,也从来未曾想到。

20世纪70年代,在美国国防部的国防先进技术研究署(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency,就是这个部门发明了互联网)资助下,加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA, University of California Los Angeles)开始尝试利用EEG,将人类思考的结果不借助肌肉和神经组织,而直接通过计算机来输出——让思考可以直接被看到,让大脑可以直接控制机械,让肉体的羁绊消失于无形。

直到这时,脑机接口(BCI,Brain-computer Interface)这个词才首次出现在科学文献中。伴随这个词出现的,是人们对于大脑活动越来越深入的理解。1978年,人们发现猴子可以在训练后,快速学会自由地控制初级运动皮层中单个神经元的放电频率;1989年,约翰霍普金斯大学的科学家发现恒河猴手臂运动方向和大脑运动皮层中单个神经元放电模式的关系;而到了九十年代,一些研究人员已经能够实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号,并且用来控制外部设备。机械义肢可能变得和原生肢体一样容易使用,人类在进化的漫长道路上看到了一种全新的可能性:人和机械,可以作为一个生命的不同组成部分而共存。

童年的结束

脑电图在头皮外测量,电极仅仅用于接收信号。这是它最大的优势,不会对监控的大脑造成任何可能的损伤。而它的缺点也同样明显:在头皮外接收到的电信号不仅微弱,而且多个脑区的活动信号会叠加在一起,最终形成看起来十分混乱的波形。

幸好这些缺点可以部分克服。微弱的电信号可以放大,而波形的分离早在十九世纪就已经由法国数学家傅立叶解决。现在我们只需要解决脑电波和大脑思考行为的对应关系就行。

但是,这却是最大的难点。大脑中有超过140亿个神经元和超过1000亿的神经元连接,而且由于大脑惊人的适应性,对一个人来说某种行为对应的神经元活动,可能在另一个人身上就完全换了另一组完全不同的神经元。实在很难找到一个共通的模式,可以轻松地让大脑活动变成电脑屏幕上跳跃的文字或者图标。研究人员们现在只能通过探寻一些粗略的模式来进行分析,但是这样的模式避免不了误判的可能。

现在,基于EEG的脑机接口主要集中在两个方向:诱发的信号和自发的信号。当某个异常事件发生后的300毫秒左右,将会检测出一个被叫做P300的电波峰值;当眼睛受到光或图像刺激后,视觉皮层将会产生视觉诱发电位。这两类信号可以通过诱发产生,而且判断准确率较高,但是缺点是需要外界刺激,并且依赖人体本身的某些知觉才能工作。而当某侧肢体运动或者仅仅是想象其运动时同侧的脑区产生的事件相关同步电位、通过反馈训练可以自主控制的皮层慢电位和自发的阿尔法、贝塔等脑电信号虽然不需要外界刺激,但是需要大量的特殊训练和适应过程。毕竟,世间安得两全法,鱼与熊掌,永难兼得。

基于EEG脑机接口进展的举步维艰,让人们不得不另辟蹊径。功能性核磁共振(fMRI,functional Magnetic Resonance Imaging)这种经常摆在医院里的巨大工具,成了科学家们盯上的下一个目标。功能性核磁共振可以用于查看大脑中不同脑区的血液流动情况——一般来说,思维活跃区域的血液流量就会相应增加。这样,通过监测不同区域的血液流动情况,和之前训练的图像进行对比,就可以判断被监控者的思维活动。2006年,日本国际电气通信基础技术研究所和本田研究所两家机构采用这种技术,开发出可以控制机械手的脑机接口,控制的延时只有几秒钟。和脑电相比,功能性核磁共振有更多的优势,但是fMRI实在体积太大,现在还不能指望能够做成一顶头盔戴在头上。

而且,更精确的思考,不会存在于头皮之外,只能从头颅内部去寻找。

在脑中植入电极的设想,几十年前看起来还像是个笑话,但是现在人们已经开始认真地考虑其可行性了。通过一系列动物实验,科学家们已经开始小范围地尝试在人脑中植入电极。这样做的好处显而易见:减少其他脑区活动产生的电波干扰、精确定位电信号的出处。

2004年6月,马萨诸塞州福克斯煲的"赛博动力学"公司(Cyberkinetics)为一位24岁的四肢瘫痪者马特·内格尔(Matt Nagle)脑中植入了一枚芯片。这枚被叫做"脑门"(BrainGate)的芯片只有药片大小。医生为马特做了一个开颅手术,把"脑门"放在大脑表面。在经过9个月的练习之后,马特可以仅凭思考来收发电子邮件、控制一个机械手臂,甚至可以玩电脑游戏。"脑门"有96个电极,可以探测1000多个神经元细胞的活动。将这些神经元的活动发送出来,通过电脑的分析和处理,让马特获得了更好的生活质量。

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2008年,匹兹堡大学的一项研究成果发表在《自然》杂志上。他们的一个研究小组将微电极阵列植入恒河猴大脑的运动区,采集多个神经元的放电信号,并且通过计算机转换成电动假肢的控制命令。经过一段时间的训练之后,猴子学会了直接用大脑控制假肢运动,对抓取力度和假肢运动轨迹的控制达到了很高的准确度,几乎把机械假肢当成了自己的另一条手臂。

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然而,这种方式有很明显的风险。即使是最乐观的人也会谨慎地看待这种植入大脑的芯片,将它可能带来的利益和生命安全放到天平的两端时,孰轻孰重一望可知。大脑,这一标志着地球上生物的智慧顶端的物体,并不适合随便对其动手动脚。

毕竟大脑是一个太过于复杂的存在,以至于有人曾经写下一个关于大脑的悖论:"如果人类的大脑简单得能够让人理解,那么人将愚蠢得不能理解自己的大脑。"然而,随着技术的发展,我们并非没有可能打破这一悖论。如果将"了解自己"做为成为成年的标志,那么在机器的帮助下,人类这个种族自身,也许快要迎来童年结束的那一天。

被毁灭的人

现今的世界上已经有超过十万人植入了人工耳蜗。这是一种大小和助听器类似的小型电子设备,可以将收集到的声音信号变成电信号,直接刺激人的听觉神经,从而让失聪的人们能够听到声音。视觉重建的研究也在进行当中,它们可能会在将来帮助那些眼球受损的病患获得视觉。虽然在目前的技术条件下,电子眼无论是视力还是颜色都不能和真正的人眼相提并论,但和完全失明相比,这无疑是一个比较好的选择。而在更加负责的控制方面,人们走得还不够远。

今年4月,美国威斯康星州立大学麦迪逊分校的亚当·威尔逊戴着一顶连着电线的红帽子,只用脑电波控制,在网上写了几条短小的微博客。屏幕上的字母阵列来回闪动,看起来像是几十年之前的古老游戏。他盯着屏幕,直到屏幕上一个个字母跳出来:"我在用大脑拼写。"虽然速度很慢,每分钟只能写大概十个字母,但是这已经是不错的开端。澳大利亚和美国的几家公司也已经开发出基于EEG的脑机接口头盔,往往安装了十六个以上的接收电极。使用者在经过短暂的训练后,可以用它来控制轮椅或者玩一些简单的游戏。

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即便速度缓慢、功能单一,但是对于那些因为意外、战争或者疾病而失去肢体活动能力的人,通过脑机接口控制的义肢可能是最有希望让他们和正常人一样生活的工具。几乎可以确信,使用脑机接口的义肢已然为期不远,我们即将拥有必将在各种方面都超过原生肢体的义肢。碳纤维、钛合金、意识控制,接下来每个人都会想到诸如《终结者》、《攻壳机动队》、《钢铁侠》或者《新世纪福音战士》中的场景。当这种期望成为现实,人们又将如何面对?

在去年的北京奥运会上,南非短跑运动员"刀锋战士" 奥斯卡·皮斯托留斯(Oscar Pistorius)没能通过400米比赛的预选。起初奥委会认为他的假肢对其他正常运动员来有着特殊的优势而禁止他参加预选,这一新闻登上了各大媒体的头版头条。奥斯卡的假肢没有任何控制功能,仅是在性能上超过人类天生的肢体,就已经引起如此轩然大波,那么当更快更强、更容易控制的人工肢体可以随意安装和组合时,必然将会将争论的方向引导到那个古老的哲学命题上:人是什么?怎样定义"人"?

然而,哲学和伦理上的争论最多只能暂缓科学的脚步,但却永远无法阻止人类的好奇心和文明发展的进程。

纪元的终结

"他小心翼翼地把黑色毛线吸汗带系在额头上,以免弄乱了平坦的仙台皮肤带。他盯着膝上的控制板,但并没有真正看它……

……

他正在什么地方的一间刷成白色的阁楼里大笑,远方的手指抚摸着控制板,宽慰的眼泪从脸上流了下来。"

威廉·吉布森的《神经浪游者》,一直被认为是赛博朋克的开山之作。这本书不仅是历史上唯一一本获得星云、雨果、以及菲利普·狄克三项世界科幻界最高奖的科幻作品,而且看起来相当精确地描述了我们的发展趋势。今天的科技必然将会过时,迟早会有那么一天,我们不再需要天生的身体,而只需要一个健全的大脑。

在《神经浪游者》发表前几年,美国发明家雷蒙德·科兹威尔(Raymond Kurzweil)提出了一种名为"技术奇点"( Technological singularity)的理论,并且成功地让著名硬科幻作家弗诺·文奇(Vernor Vinge)成为了这一理论最热情的传道士。科兹威尔认为,在人类历史上,技术发展的速度并不是均匀的,而是以一种越来越快的方式在加速发展。他找了一些在各自领域中做出重大突破的人和组织,请他们列出认为人类历史上最重要的技术突破和发明,然后把这些事件发生的时间标在对数坐标系上,然后吃惊地发现自己的直觉符合事实,人类的技术发展正在加速向着某个爆发点冲去。借用物理学上的概念,他将这个技术发展到近乎无限的点称为"技术奇点"。之所以采用这个名字,是因为和宇宙的起点一样,它不能用现在的规则来预测其结果。它将是另一种大爆发的起点。

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虽然主流学界对技术奇点理论抱持着观望的态度,但是谁都不得不承认,科技发展正在裹挟我们轰然而去,未知的前方以越来越快的速度向我们扑面撞来,没有人能够闪躲。将人类的优势和电子设备的长处结合起来,已经是我们习以为常的生活。为了应对正在变得越来越快、越来越复杂的世界,人类有必要借助全新的外界帮助,正如三百万年前的原始人需要借助石头和火的帮助一样。

也许,脑机接口将会是我们现在身处的这个信息时代的星星之火,将会终结人类作为一个自然进化物种的漫长纪元。

发于《科幻世界》

Update:其他与脑机接口的文章请见anpopo的《永不消逝的电波》和圆儿的《人脑遥控器》以及小红猪小分队的《生化机械人上市开卖喽

Update : 犹他大学开发出一种覆盖大脑表面的微型电极,植入手术时的照片被评选为《大众科学》杂志 "年度最惊人科学照片"之一。

Microwires emerging from the green and orange tubes connect to two arrays of 16 microelectrodes. Each array is embedded in a small mat of clear, rubbery silicone. The mats are barely visible in this image. These microelectrode arrays sit on the brain without penetrating it, a step toward longer-lived, less invasive versions of "neural interfaces" that in recent experiments elsewhere have allowed paralyzed people to control a computer cursor with their thoughts. The new microelectrode arrays were placed in two patients at the University of Utah who already were undergoing brain surgery for severe epilepsy. The larger, numbered, metallic electrodes are used to locate the source of epileptic seizures in the brain, so the patients allowed the microelectrodes to be placed on their brains at the same time.

Update:波士顿大学主导的一项研究成功地让一位闭锁综合征(locked-in syndrome)患者重新恢复了发音能力。他们在病人大脑的中央前回植入电极,将截获的脑电信号通过无线方式传递出来,然后再用计算机翻译成人类语言。发音啊!无线啊!

Update:今年布鲁斯威利斯的电影《Surrogates》讲的也是关于这个……开头就提到了用机械手的猴子……

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抢稿小红猪

Thu, 24 Dec 2009 04:02:00 +0800

RedPig-shadow

请继续关注小红花制度!请看小红猪翻译小分队新一期:

公元753年的12月20日,刚好是鉴真和尚抵达日本那天,在1256年后的同一天,请看《科学在日本的100年》。

请到以下英文全文抢稿贴后留言抢稿(手头有未完成翻译稿件者不得重复抢稿)

让我们关注气候问题:《什么样的研究能够拯救我们》,《2009年的气候研究》

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