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插口人生:脑机时代已来?

相信大家对于科幻作品中设想的脑机接口的强大功能并不陌生。在《攻壳机动队》和《阿丽塔:战斗天使》中,主角只有大脑保存完好,安装了外骨骼之后奇迹般地复活,在脑机接口技术的加持下,还能进行激烈刺激的战斗;在《黑客帝国》中,人类通过脑后插管可以在虚拟世界中生活,并且浑然不觉有任何异样;在威廉·吉布森的短篇小说《冬季市场》中,主角患有先天性残疾,只能依靠脑机接口控制外骨骼活动,为了摆脱羸弱的肉体,她最终将意识转译成计算机程序,获得了永生……

2020年8月,埃隆·马斯克召开了一次发布会,展示了其投资的Neuralink公司最新的脑机接口设备。在演示中,这款设备可以记录实验猪脑内的神经电信号、预测它的运动。同时,他还宣称脑机接口能够召唤汽车、打游戏,并且能治疗诸如失聪、失忆、中风等疾病,甚至连抑郁症、焦虑、失眠、成瘾都能治疗。此外,他还声称有望在5年内实现大脑间的直接交流,将来还能上传和下载记忆,从而实现科幻中的“数字永生”。

看样子,科幻成为现实指日可待了。但实际上,他所演示和声称的功能,有些早已经实现,还有些仍然是天方夜谭。要搞清这个问题,首先应该知道科学家们研究的脑机接口是何物,以及它们究竟能干什么。

何谓脑机接口?

顾名思义,脑机接口(brain-computer interface,BCI)就是连接大脑与计算机之间的信息系统,可以让大脑直接和计算机沟通。脑机接口的信息传递是双向的,既能从大脑传递信息到计算机,进而操控与之连接的外部设备,也能从计算机传递信息到大脑,用电信号刺激脑神经。

脑机接口的基本组成

那么,脑机接口是如何运作的呢?神经科学研究发现,即使神经系统和运动器官因损伤而丧失作用,只要大脑功能保持正常,那么控制指令依然能够通过脑电信号从大脑中传输出来,只不过损伤的肢体不会随之活动罢了。人们在进行某些思维活动,或者在某些外部刺激下,脑电信号会呈现出与刺激相对应的规律性变化。因此,抽象虚拟的大脑活动,可以通过具体真实的脑电信号来表达,这种信号是大脑与外界沟通的桥梁。脑机接口即是通过检测或影响这种脑电信号,来和神经元沟通的。

此外,脑机接口的另一个原理是大脑的功能组成。我们知道,大脑的各种功能通常由一些具体位置(即脑区)来负责,比如视觉依赖大脑枕部的区域来实现,如果该脑区受伤,就会让视觉能力受损,此即大脑功能的局部性。同时,每种功能也需要多个脑区的协同合作才能实现,任何一个涉及到相关信息加工的脑区产生故障,都会导致人体最终的行动(语言、表情、动作等)出现问题,此即大脑功能的分布性。这对于脑机接口采集信号或者电极植入位置的选择至关重要。

按照人机连接的方法来划分,脑机接口一般分为无创型(非植入型)和植入型。

无创型脑机接口

常见的无创型BCI是基于脑电图(EEG)的脑机接口,这种记录系统有几十到上百个圆盘形电极,每个电极的形状和大小跟纽扣差不多。将这些电极粘贴在头皮上,即可记录大脑中的电流变化。植入型脑机接口则需要通过在头颅植入电极来记录神经元活动,电极既可以植入到颅骨与大脑之间,也可以植入到大脑皮层内部。这几种方法所收集的神经信号精度和强度有明显不同:从无创型到植入型(植入颅骨和大脑之间、植入到大脑皮层内部),收集到的信号依次精度提高、强度增强。

植入型脑机接口构想图

提取到神经信号后,还要进行解码。就像球赛观众里有两支队伍的支持者,一方支持者所支持的球队进攻时,他们会发出更多的欢呼,反之,他们就比较安静。但他们偶尔也会因为其他事情欢呼。这就相当于不同的神经元有不同的偏爱方向。查明神经元的偏爱方向后,实时记录它们的活动,就可以猜测那个人的运动意图。该过程就叫解码。之后,控制系统需要根据解码结果来控制假肢或光标,而且还能向大脑提供反馈信号,以便调节机械臂或光标等的操控。

脑机接口究竟能干什么?

脑机接口最主要的用途就是通过接收使用者指令性的脑电信号,将其转化为输出,进而控制外部设备或周围的环境(比如开关灯、控制室温等)。

从已有的报道来看,前文提及马斯克展示和声称的部分功能其实早就实现了。比如无创型脑机接口,它可以探测到神经元同步活动频率的变化,通过分析各频率的相对强度,把分析结果反馈给使用者或实验者,也可根据这些结果来控制目标。利用这一原理,可以有些很有趣的应用。

早在1985年,迈克尔·斯万维克和威廉·吉布森合著的小说《空战游戏》中就提到了通过粘贴在耳后的控制器,来操控战斗机进行空战比赛。而在现实中,市面上也有相应的可穿戴脑电波玩具了,例如让玩家用脑电波给玩具车加速来比赛,或者戴上可以探测分析脑电波的猫耳朵,即可根据佩戴者情绪的变化做出相应的指示动作。

脑电波猫耳朵

而且,这种脑机接口还能获取大脑对身体各部位运动的想象,例如是否在想象运动左手或右脚,在想象不同的运动时,会激活控制相关运动功能的脑区的神经元,它们附近的电极所记录的频率就会有所变化。软件同时分析多电极的信号,用算法来猜测使用者的想象,从而实现让轮椅转弯或前行,以及控制外骨骼行走等等。除此之外,无创型脑机接口还可以让使用者选择屏幕上的图标,实现打字的功能,目前的频率已经达到一分钟输入上百个字母了。

2011年时,受试者就已经能够在植入型脑机接口的帮助下,让机械手给自己喂东西吃。

植入型脑机接口可以实现更为复杂的功能。2020年初,我国完成了首例植入型脑机接口的临床研究,病人进行4个月的康复训练之后,实现了用意念控制机械臂进食、喝水和日常娱乐等行为。

当然,除了能更好地控制假肢活动之外,植入型脑机接口还可以直接读取人想说的话。方法是用电极记录大脑语言区的神经活动,同时让受试者阅读或默念一些句子,然后分析获得脑电信号各频率的相对强度,再根据这些频率找出脑活动对应的语言。了解到脑电频率和语言之间的关系后,就能把记录到的信号转换成句子,即便不开口,机器也能了解并表达使用者想说的话。

我国首例接受植入型脑机接口手术的患者

近年来,脑机接口在医学康复领域的应用也逐步兴起。比如中风损坏的是大脑皮层的运动中枢,传统的物理训练康复只是活动胳膊和腿脚,效果并不很好。

如今,基于脑机接口开发了一种主动的训练方式,即让中风病人想象瘫痪肢体的运动,在想象时,脑电是有反应的,从而可以通过脑机接口系统测量到这种脑电信号,一旦发现病人真的想动时,再去启动训练的机器人,这种训练方式非常有效。

2014年,天津大学神经工程团队研制了一套应用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统“神工一号”,该系统融合了运动想象BCI和物理训练康复疗法,在中风患者体外仿生构筑了一条人工神经通路,通过模拟解码患者的运动康复意念信号,驱动神经肌肉电刺激产生对应动作,在运动康复训练的同时,促进患者受损脑区功能恢复以及体内神经通路的可塑性修复和重建。

此外,脑机接口也能应用到健康人的训练当中,比如可以探测到优秀射击选手执行任务时的脑状态,因此,把脑活动及时反馈给射击选手,让其了解自己距离优秀水平还有多大差距,从而调整脑状态,尽快达到优秀水平。

人工视网膜系统

以上介绍的都是用脑机接口读取大脑信号,然后将解码的信息发送出去,以实现某种目的。除此之外,脑机接口也能向大脑传递信息,刺激电极周围的神经元,既能提供反馈(比如用机械臂抓握玻璃杯时,通过相应的反馈来调整抓握力度),也能产生人工触觉、人工视觉和人工听觉。

不过,脑内电刺激还处在实验阶段,相比之下,神经接口电刺激(对大脑以外的神经进行电刺激的技术)发展较为成熟,一些利用该技术的神经接口产品已经上市,比如人工耳蜗和人工视网膜,分别是用电刺激来激活听觉神经和视网膜里的神经元,从而让患者重新获得听觉和视觉,前提是听觉神经和视网膜神经,以及相关的神经中枢都完好无损。

深部脑刺激

马斯克也提到脑机接口将来可以治疗抑郁症、失忆等大脑深部病变导致的神经精神疾病,利用的就是脑内电刺激。事实上,对于这类疾病,已经有相对成熟的治疗手段了,这种技术叫做“深部脑刺激”,俗称脑起搏器。

脑起搏器治疗帕金森病示意图

脑起搏器最主要的应用是治疗帕金森病。迄今为止,全球已经有超过10万名帕金森病和其他神经精神疾病患者因此受益。以治疗帕金森病为例,脑起搏器的电极植入丘脑底核区域,脉冲发生器植于胸前皮下,延长导线则在皮下连接脉冲发生器和电极。手术完成后,脑起搏器会发出一定频率的电刺激脉冲,通过电极触点作用于丘脑底核区域,调节大脑内异常的神经活动,从而达到改善症状的作用。

除了帕金森病之外,脑起搏器对于原发性震颤、肌张力障碍、慢性疼痛等疾病都有很好的效果,神经科学家也在积极探索将其用于癫痫、抑郁、强迫症、老年痴呆、成瘾等神经精神疾病的可能性。

一般来讲,脑机接口和脑起搏器的电极植入的脑区是不一样的。由于运动中枢、感觉中枢、听觉中枢、语言中枢等均位于大脑皮层,所以植入型脑机接口的电极需要植入皮层,而脑起搏器的电极需要植入大脑深部,例如治疗帕金森和抑郁症的靶点分别位于丘脑和扣带回膝下部,植入皮层的脑机接口电极恐怕“鞭长莫及”。对外宣传中谈及的脑机接口有望治疗各种神经精神疾病,往往指的是深部脑刺激。当然,也可以将它看做另一种类型的脑机接口。

前路迢迢

有相关研究者设想,到2030年,无创型脑机接口技术发展成熟,瘫患者可以直接用大脑控制轮椅,外骨骼系统也开始上市。2050年,植入型脑机接口风险大大降低,健康人也愿意使用,安装第五、第六肢体,士兵还能植入整合了近红外、声纳等技术的“眼睛”。2070年,可用植入芯片来提高人的智能,大脑提取芯片里的知识,就像提取记忆中从学校上课学到的知识一样方便……但这些设想实现的前提是:脑机接口的发展必须十分顺利。

尽管已经取得了诸多成绩,但到目前为止,脑机接口基本上还处于实验室展示的水平,距离真正的商业化应用还有很长的路要走,它还面临着很多亟待解决的难题——

脑科学问题:脑部疾病的致病机制尚在研究当中,这些问题没有研究明白,脑机接口就不可能有成熟应用。

脑电信号采集的准确性:如果要实施精确监测,必须在脑内植入大量电极。然而,大脑皮层中有上百亿个神经元,一个电极记录的是皮层千千万万的神经元电信号,不可避免地会受到其他信号的干扰。想要实现真正的精确测量,简直困难重重。哪怕将来达到几万个电极,对于天文数字的神经元来说,也只是九牛一毛。而且,这么多的电极如何植入到大脑里?如何处理海量的数据?一般的计算机很可能实现不了这种超算功能。

安全性和植入电极的工作寿命:将数量巨大的电极植入皮层中,需要打开颅骨,还要保证不引起出血等损伤,难度非常之高。而且我们身体的免疫组织会长期攻击植入电极,免疫细胞会将它们包围起来,形成疤痕组织,所以电极的记录质量会慢慢下降,长则几年,短则几个月,电极就完全监测不到神经元活动,如果需要再次使用,就得重新植入电极。这也增加了损伤大脑神经元和感染的风险。

神经解码和编码:目前仍然是“黑箱”。脑机接口只是将复杂的神经元活动还原成简单的脑电波数据,解码的精确度还是太低了。而且,解码对应的是“从脑到机”,是“猜测”使用者的“运动意图”,与“解读意识”完全不是一个概念,而编码对应的是“从机到脑”,更是难上加难,基本还处于完全的未知状态,再加上科学家对于“意识”本身的机制还没研究清楚,所以意识上传、数字永生还是科幻构想,恐怕我们有生之年都见不到那天的到来。

通信速度慢:脑机接口最大信息转换速度只有每分钟100比特左右,这个效率远远达不到正常交流的水平,也无法控制外接设备做出复杂且流畅的动作,更何谈像《空战游戏》中那样操控战机进行激烈的比赛?

此外,脑机接口是一门复杂的交叉学科,涉及到神经科学、认知科学、机械动力学、信息工程学、材料学等,任何一个学科有短板,都会严重制约脑机接口的发展。

脑-脑接口初露曙光

值得一提的是,在脑机接口发展的过程中,还出现了一种叫做“脑-脑接口”的技术。2009年上映的电影《阿凡达》就对此有过展示:人类可以通过脑对脑的直接信息传递,远程控制潘多拉星球上经过改造的纳威人的身体。事实上,这绝非异想天开。有研究表明,从一只动物的大脑皮层提取神经电生理信息,将其解码之后,的确能刺激另一只动物的大脑皮层。

2014年,上海交大的研究团队申请了一项脑-脑接口的发明专利,其工作步骤是:视频监控动物的运动信息,传输至脑机接口的实时控制界面,控制者(人)在控制界面看到动物的运动状态,然后表达其大脑控制的意图,脑电采集模块会采集控制者的脑电信号,发送至计算机端的处理模块,最后将解码后的信息发送给动物的神经电刺激电极,进而控制动物的运动方向。简单地说,它其实包含了两套脑机接口系统,分别在受控动物和控制者两端。其目的是利用动物的特长,让它们在人类的控制下,代替人类完成我们不能和不敢的特殊任务,比如搜索、探险等。

2018年,美国华盛顿大学的研究团队首次成功建立了多人脑-脑接口系统,成功合作完成了俄罗斯方块游戏。他们将三名受试者分成两组,其中二人可以看到完整的游戏界面,并通过脑机接口发出是否旋转屏幕上最新出现的图形角度的指令,第三个人接收到指令来实施操作,平均正确率高达81.25%。该研究展示了利用连接大脑的“社交网络”协作解决问题的可能性。

不过,由于涉及到提取脑电信号、解码、将解码信息传递到正确的神经环路等高难度过程,此前的脑-脑接口信息传递速率只能达到每秒0.004~0.033比特,这是制约该技术发展的主要瓶颈之一。

2020年初,北京脑科学与类脑研究中心的科研人员提出了一种新型的脑-脑接口,有望解决这一问题。他们先是用光纤记录系统从“控制鼠”的大脑神经元中提取运动信息,然后将其解码,进而通过光遗传学[1]刺激“阿凡达鼠”的特定神经元,其信息传递速率达到了每秒4.1比特,比之前的同类研究高出2~3个数量级,实现了两只动物的高度同步化运动,从原理上验证了跨个体精确控制动物运动的可能性。

基于光学记录和刺激的脑-脑接口实现了两只动物间的运动信息传递

从系统构成来看,脑-脑接口与脑机接口密不可分,脑机接口的瓶颈也是脑-脑接口需要克服的,与此同时,脑-脑接口或许还存在专属于它的难题。虽然困难重重,科幻作品中设想的终极目标也不一定能变成现实,但脑机接口和脑-脑接口有望实现生物智能与机器智能的融合,使大脑与大脑之间、大脑与计算机之间直接进行沟通,前景可谓十分广阔。全世界的科学家正在努力钻研,未来一旦取得重大突破,人类历史的进程甚至会因此而重塑都是有可能的。

[1] 光遗传学方法用转基因技术,使实验动物大脑的某些目标神经元受到光刺激时,会产生动作电位,这样就可以用光刺激来代替电刺激,通过植入光纤把光刺激传进大脑。该技术可避免电刺激的一些缺点,影响的范围相对较小。


Tags: 脑机

发布: mjtmjtjj 分类: 科技创新 评论: 0 浏览: 0
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