虎嗅注:用意念控制麻痹的手臂；给大脑开一个类似USB的接口；基因组测序也可以在实验室外进行；从病人的呼吸中嗅出疾病。这些听起来可能像是科幻小说中的尖端技术，它们正一步步走进我们的生活。下一个科技前沿会是什么？它们会给我们的生活带来多大的改变？以下三篇文章将提供一些答案。为了给虎嗅会员寻找好的全球内容，虎嗅官方与《经济学人商业论》合作，每月向虎嗅会员提供两个付费专属内容。本文由《经济学人商业理论》1月份的三篇文章合并而成:《神经技术:下一个前沿》、《DNA测序:基因组受控》和《医学诊断:气味追踪》。
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1-神经技术
脑机接口可能会改变人类的定义。
人们经常用“革命性”来推广某项技术。对于威廉·塞瓦来说，这个词一点也不夸张。在一次自行车事故后，Ke Cervar从肩膀以下瘫痪，但他仍然能够自己吃饭。这一非凡的成就部分归功于他右臂上植入的刺激肌肉的电极，但真正的神奇之处还在更高的地方:柯西瓦尔可以用意念控制他的手臂。他移动手臂的意图反映在他大脑运动皮层的神经活动中，他大脑中的植入物将检测这些信号，并将其转化为指令，以激活他手臂中的电极。
以这种方式解码想法听起来可能像科幻小说。但是脑机接口比如柯瑟瓦尔使用的“大脑”系统证明了精神控制确实是可以实现的。研究人员只要通过人的神经活动就能知道自己听到了什么话，看到了什么图像。信息也可以被编码以刺激大脑。超过30万人植入了人工耳蜗。这种设备将声音转换成电信号，然后传输到大脑，帮助人们听到声音。科学家还将数据“注入”猴子的大脑，并通过电脉冲命令它们做出动作。
脑机接口的研究进程正在加快，也越来越雄心勃勃。美国军方和硅谷都开始关注大脑。脸书希望实现“将思维转化为语言”，让大脑直接输出语言。创业公司Kernel获得1亿美元融资，用于神经技术的研发。埃隆·马斯克(Elon musk)创办了一家名为Neuralink的公司，他认为人工智能出现后，人类要想生存就需要升级。在创业者设想的世界中，人们可以通过心灵感应与他人或机器交流，或者获得超人的能力，比如能够听到非常高频的声音。
即使这些能力能够实现，也需要几十年的时间。但在此之前，脑机接口可能会打开非凡的新应用的大门。想象一下，人类可能能够通过刺激视觉皮层来帮助盲人看东西，为中风患者建立新的神经连接，或者监测大脑是否有抑郁症的迹象。脑-机接口(Brain-computer interface，BCI)将神经元放电转化为一种可利用的资源，在这个过程中可能会改变人的定义。
思考的感觉
怀疑论者对此嗤之以鼻。事实证明，将医用脑机接口从实验室带到临床是非常困难的。Cervar使用的“额头”系统是十多年前开发的，但只有极少数人尝试过。把植入物变成消费品就更不可想象了。BCI要成为主流有三个不可逾越的障碍:技术、科学和商业。
先说技术。像脑电图这样的非侵入性技术很难通过皮肤、骨骼和脑膜的层提取高分辨率的大脑信号。这项技术已经得到了改进，这体现在用于玩虚拟现实游戏和仅通过思想控制工业机器人的脑电图帽上。
但至少在目前，最雄心勃勃的应用仍然需要能够直接与大脑神经元互动的植入物。现有的设备也有很多缺点，比如电线穿过颅骨，引起免疫反应，只能与人类大脑中的数百个850亿神经元进行通信。但这种情况可能很快就会改变。随着小型化技术的进步和计算能力的提高，研究人员正在努力制造安全、无线、可以与数十万个神经元进行通信的植入物。他们中的一些人解释大脑的电信号，而另一些人则试图使用光，磁和超声波信号。
突破技术壁垒，我们不得不面对另一个障碍。大脑仍然是一个非常奇怪的领域。科学家对其确切的工作原理知之甚少，尤其是在涉及到记忆形成等复杂功能时。在动物身上的研究进展比较快，但是很难在人身上试验。但即使是现在，我们也加深了对大脑某些部分的了解，比如运动皮层。而这些知识并不总是全面的。机器学习可以识别神经活动的模式；大脑本身可以轻松控制脑机接口。神经技术也将揭示大脑的更多秘密。
就像开了个脑洞。
第三个障碍是商业化的困难。医疗设备获得批准需要时间、金钱和专业知识。消费类应用只有对人有用的功能才能受欢迎。脑机接口的一些应用是不必要的。比如你想打字不用手指，用一个好的语音助手比大脑植入更方便。
消费者会为开颅手术哭哭啼啼的想法也显得离谱。但在某些情况下，大脑植入已经成为一种成熟的治疗方法。大约有15万人通过电极接受深度大脑刺激，帮助他们控制帕金森病。激光眼科手术也证明了选择性手术可以成为常规手术。
这些都表明，神经技术的先驱们所设想的通往未来的道路是艰难的，但仍然是可以实现的。再难的问题，一旦人类有了创造力，就赌它无法克服是不明智的。
随着技术的进步，人们可能会在几年内用大脑打开新的交流渠道。很多最初投入使用的脑机接口(BCI)都是为了达到一个非常明确的效果:恢复运动和感知。但随着应用转向增强人体能力，无论是用于军事目的还是消费活动，都会有各种担忧。隐私是一个突出的问题:内心声音的庇护所可能会消失。
另一个问题是安全性:如果你可以通过互联网连接到你的大脑，它也可能受到黑客的攻击。还有第三个问题:不平等。除了自持的精英，也许没有人有能力获得超人的认知能力。伦理学家已经开始为机器引入神经回路带来的同一性和主观性问题挠头了。
这些问题并不紧迫。但更重要的是，它们都不属于纯粹的幻想。科学技术改变了人们的生活方式。头骨以下是下一个前沿领域。
2- DNA测序
利用小型便携设备，可以在实验室外进行基因组测序，从而掌握基因组。
过去，用于分析DNA的仪器又大又笨重，结果并不令人满意。人类基因组测序项目于20世纪90年代末首次开展，使用了数百台这样的设备，历时十多年完成，耗资至少5亿美元。从那以后，这项工作就成了常规流程，价格也降到了1000美元以下。虽然这些机器变得更加精密和紧凑，但价格仍然高达几十万美元。许多组织正试图开发更小更便宜的机器。
第一台小到可以放进口袋的仪器已经投放市场。它的生产商是牛津纳米孔公司，一家位于英国牛津的DNA测序设备制造商。这款仪器的尺寸接近于一部较厚的手机。虽然有专利保护，但其他微测序仪迟早会出来。
这个序列器叫做MinION。当它被使用的时候，它应该被连接到一台笔记本电脑。它的工作原理是将DNA链吸入由大量小孔组成的“流动槽”中，这些小孔的直径只有几纳米。当不同形状的分子通过孔洞时，流经孔洞表面的电流会发生变化。DNA由四个称为碱基的亚单位组成，它们有不同的形状。因此，可以通过纳米孔测序来确定这些碱基的序列——同时可以获得基因所携带的信息。
繁忙的实验室对测序结果的准确度要求很高，这就需要更大更复杂的仪器。纳米孔的测序仪不是这类仪器的直接竞争对手。MinION用于在户外进行基因测序。仪器本身的成本是1000美元，配套的流通池使用寿命是几个月。批发价500美元左右。到目前为止，MinION已经完成了多种微生物的DNA测序:有些是从南极大陆的雪地上刮下来的，有些是从斯瓦尔巴群岛的冰川上蘸下来的，有些是从威尔士废弃煤矿深处的死池塘里吸上来的。纳米孔测序技术也被用于对2015年在西非爆发的埃博拉病毒进行测序。
然而，这项技术并不像将样品从一端放入仪器中就能得到结果那么简单。要使用真正的便携式测序仪，必须使测序样品小型化，样品制备自动化。为了提取DNA，生物样品的细胞必须被破坏，这个过程被称为细胞裂解。提取的DNA要达到足够的纯度，保证读数结果不受污染。这项任务非常困难，需要操作者接受一些生化培训，通常使用离心机和昂贵的试剂。牛津纳米孔公司对该技术的细节守口如瓶，但现在它正在开发一种名为Zumbador的小型仪器，它声称该仪器将自动完成样品制备。
现场解码
目前，许多用户并不拒绝自己准备样本，通常是因为有了MinION，他们不必等待实验室发回结果。大型食品公司玛氏正在中国的生产线上测试这种仪器，以检测特定种类的病原体，如沙门氏菌和大肠杆菌。该公司已经仔细检查了设备和产品，看它们是否被这些病原体污染。但玛氏食品安全中心主任毕睿博表示，目前的系统可能需要几天或几周才能发回结果。他希望当自动制样的功能实现后，通过实时监控几乎可以立即发现问题。火星还将扩大细菌检测的范围:目前的测试只针对特定的微生物，而基因组测序可以识别任何可能出现的细菌。毕睿博表示，从初步结果来看，该技术前景看好。
基因组测序也非常适合调查食物的来源。几年前，英国一些超市里标着牛肉的肉制品其实含有马肉。这一丑闻之后，出现了对肉制品的来源和种类进行检测和验证的需求。英国熟肉供应商Cranswick正在与华威大学合作，用手持测序仪分析从包装肉中提取的DNA样本，以确认这是哪种动物的肉。
在发展中国家，现场测序的好处更加显著。坦桑尼亚和乌干达的农业研究人员计划使用牛津纳米孔测序仪来识别引起木薯疾病的病毒。全球约有5.5亿人以木薯为主食，但粉虱传播的褐条病毒等灾害可能使产量减少40倍。达累斯萨拉姆的Mikocheni农业研究所和坎帕拉的国家作物资源研究所收集了样本，试图确定病毒的类型，并帮助农民种植抗病能力更强的作物。然而，这些样本必须被送到澳大利亚、韩国或瑞士的实验室进行测序，这个过程可能需要几个月。在9月份启动的一个试点项目中，西澳大利亚大学的农学家Laura Boykin和MARI的负责人Joseph Dengo使用手持测序仪在48小时内将病毒类型的数据发送给农民。
牛津Nanohole首席技术官克里夫·布朗(Cliff Brown)认为，随着便携式测序设备变得更快、更准确，将会出现一种测序仪，每个人都可以用它来了解周围事物的基因组特征。只要用这个仪器接触一个东西，不管是血液、唾液还是超市里的鸡肉，都可以得到它的基因组特征。过去，基因测序需要很多年，但可能很快就可以随时随地开展这项工作。
3-医疗诊断
气味追踪，一种新的小玩意，可以从病人的呼吸中“嗅出”疾病。
众所周知，医学之父希波克拉底利用嗅觉辅助诊断。几代医生都继承了这种方法。比如他们认为人感染梅毒后会有一种特定的气味，烂苹果的气味意味着糖尿病。今天，事情变得更加复杂。
在实验室中，各种挥发性有机化合物已被确定为从乳腺癌到霍乱等特定疾病的标志。本月早些时候，一篇论文报道了疟疾的“呼吸标记”。然而，虽然人类已经掌握了这方面的知识，却一直没有“疾病呼吸分析仪”。
在任何新的诊断工具的实施过程中，障碍都是常见的——问题不在于它在技术上是否可行，而在于能否证明它们在医生使用时能够可靠有效地工作。总部位于英国剑桥的Owlstone Medical公司认为他们已经开发出了这样一个小玩意。它的呼吸分析仪目前正在进行几项大规模实验。
其中一家名为LuCID的公司正在欧洲招募4000名患者，以测试肺癌的早期诊断，而肺癌往往来不及治疗。另一项与沃里克郡NHS Trust合作的试验，试图筛查1400人的早期结肠直肠癌。英国癌症研究慈善机构正在评估该仪器在早期检测大量其他癌症中的作用，包括膀胱癌、乳腺癌、头颈癌、肾癌、食道癌、胰腺癌、前列腺癌和脑癌。
用途不限于癌症。Owlstone已经和制药公司达成了几项协议。11月27日，它与葛兰素史克公司签约，使用其仪器检测哪些患者对慢性阻塞性肺疾病的治疗有反应。一家名为4D制药的小公司正在利用这种设备进一步了解患者体内的微生物群——即每个人携带的细菌大军，以便能够提供有针对性的药物。
Owlstone的仪器引起如此大的兴趣的一个原因是它的发展历史被很好地记录了下来。所涉及的基本技术多年来一直被用于为军事客户检测化学战中使用的毒剂。在用于医疗的版本中，人呼出的气体将通过一个传感器，该传感器将使VOCs电离并带电荷，然后根据分子在振荡电场中的移动速度对分子进行分类，从而获得化学指纹，或“呼吸活检”，在此过程中不使用化学物质、针头或试剂。
细节不可避免地更加棘手。一方面，每个人的气息不同。如果我们想要可靠地识别疾病信号，那么这个设备必须能够克服这种自然差异。但是如果试验成功，将会带来巨大的利益。广泛的筛查有助于发现许多症状缓慢的疾病。
英国医生正试图为有吸烟史的超市购物者提供CT扫描，因为这些人比大多数人更有可能患有未被发现的肺癌。但是CT扫描费用高，辐射也不小。呼吸活检既便宜又无风险。如果他们能证明自己的价值，将为疾病诊断带来空的新鲜气息。
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