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当幻想照进现实:新型交互手段脑机接口带来的希望及引发的担忧

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作为智人,我们正在成为一个将科技与我们的有机身体完全融合的物种。从某种程度上说,这种研究可以追溯回好几个世纪前,从13世纪末意大利第一次使用眼镜开始,通过在鼻梁上戴两个放大镜来改善视力,我们的身体便开始与科技“纠缠不清”。

但是自从计算机的发明和首个人机界面诞生以来,许多技术专家的梦想一直是在计算机和人脑之间建立直接的联系。这些脑-机接口将消除固有的思想→身体行动→计算机响应之间的滞后翻译。脑-机接口还允许无法进行人机界面所需的物理动作的人绕过现实世界的步骤,直接用大脑中的电脉冲控制强大的计算机工具。

其中一个梦想是,脑-机接口最终将把人类知识的全部准则置于即时记忆的范围内:不再需要通过打字或语音命令来搜索互联网。在不久的将来,我们将能够思考我们需要什么,并将任何可以直接从云中获得的相关信息植入到我们的脑海中。

脑-机接口之所以有效,是因为我们能够检测到我们大脑中神经元之间的信号,这些信号是在连接它们的树突和轴突之间传递的。这些微小的位元是每个神经元上离子所表达的电势的差异。科学家可以通过植入电极来发现和测量这些信号。

这些信号转变成数字信息,然后由经过多年艰苦研究和实验开发的算法进行翻译。因此,我们大脑的信号成为机器智能的指挥棒,然后可以用来控制特殊功能的假肢和轮椅,移动光标和点击显示器上的按钮。该软件还可以被训练识别代表数字和字母的特定“思想”的信号,从而使那些原本无法书写的人能够(在某种程度上)书写。

什么是脑-机接口?

看了上述的长篇大论或许你对脑-机接口是什么还是一头雾水,下面简要的解释下究竟什么是脑-机接口。

百度百科做出了以下定义:在美国纽约州召开的第一次脑-机接口(BCI)国际会议给出的BCI的定义是:BCI是一种特殊的通讯系统,它不依赖于人体的外围神经和肌肉组织。该定义反映了BCI的基本原则和特征,即BCI是完全不依赖于外围神经和肌肉的新型交互手段,它实现了脑和计算机之间的直接通信。

美国Wadsworth研究中心的Wolpaw等人在其著作《Brain-computer interfaces: principles and practice》中给出了BCI更加严格的定义:脑-机接口是一个通过检测中枢神经系统活动,并将其转化为人工输出的系统,它能够替代、修复、增强、补充或者改善中枢神经系统的正常输出,从而改变中枢神经系统与内外环境之间的交互作用。

“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统,而并非仅仅是“mind”(抽象的心智)。

“机”意指任何处理或计算的设备,其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅。

“接口” = “用于信息交换的中介物”。

脑-机接口如何采集信息?

脑机接口的信息采集方式通常被分为侵入式、半侵入式、非侵入式(脑外)。

侵入式:此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,因而所获取的神经信号质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织(疤),进而导致信号质量的衰退甚至消失。

部分侵入式:接口一般植入到颅腔内,但是位于灰质外,其空间分辨率不如侵入式脑机接口,但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小,主要基于皮层脑电图进行信息分析。

非侵入式:不进入大脑,像帽子一样方便佩戴于人体,但由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高,很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。

脑-机接口的里程碑式突破及发展进程

里程碑式突破

1924年,德国精神病学家Hans Berger发现了脑电图描记器。

1969年,华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究。

1990年代,Nicolelis完成对老鼠运动脑电波的初步研究后,在夜猴内实现了能够提取皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验。

1999年,哈佛大学的Garrett Stanley试图解码猫的丘脑外侧膝状体内的神经元放电信息来重建视觉图像。

2000年后,Donoghue小组实现恒河猴对计算机屏幕上的光标的运动控制来追踪视觉目标,其中猴子不需要运动肢体。

2009美国南加州大学的Theodore Berger小组研制出能够模拟海马体功能的神经芯片。该小组的这种神经芯片植入大鼠脑内,使其称为第一种高级脑功能假体。

2012年巴西世界杯——机器战甲,身着机器战甲的截肢残疾者,凭借脑机接口和机械外骨骼开出了一球。

2016年12月,美国明尼苏达大学的Bin He与他的团队取得一项重大突破,让普通人在没有植入大脑电极的情况下,只凭借“意念”,在复杂的三维空间内实现物体控制,包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。该研究成果有望帮助上百万的残疾人和神经性疾病患者。

Bin He与他的团队的实验成果

2017年2月,斯坦福大学电气工程教授KrishnaShenoy和神经外科教授JaimieHenderson发表论文宣布他们成功让三名受试瘫痪者通过简单的想象精准地控制电脑屏幕的光标,这三名瘫痪患者成功通过想象在电脑屏幕上输入了他们想说的话,其中一名患者可以在1分钟之内平均输入39个字母。

现阶段进展

虽然医学界的信念是在神经修复术中使用脑-机接口来改善残疾人的生活, 围绕这一尖端技术的整个商业生态系统正在不断发展:

— Kernel从海马体中捕捉记忆,用AI读取并“记录”下来,准确率高达80%。

— 埃隆·马斯克的Neuralink项目旨在创造大脑和电脑之间的可植入界面。早期的目标将是为大脑和神经系统疾病提供治疗,最终的路径将导致提高大脑的正常功能--增加内存和处理速度,增加内置云和互联网接入,扩大我们的感官。

— 一家名为Foc.us的公司正在营销“脑刺激器”,以提高游戏玩家的反应速度。

— Neuropace正在研究如何预测、检测和停止导致癫痫发作的神经元之间发送的信号。

—Mindmaze正在开发一款动作捕捉VR/AR游戏系统,让瘫痪的人获得更全面的体验。Neurable也在使用类似的技术,让人们能够用意念控制玩具和游戏。

—位于匹兹堡的创业公司Cereve已经获得FDA的商业许可,可以销售他们的“睡眠系统”来改善失眠。

— Brainco正在研发一种可穿戴设备,可以帮助教师监控学生在课堂上的注意力集中程度,更好地发现并帮助那些有学习困难的学生。

脑-机接口的应用场景

1. 在医疗康复领域中,帮助(高位)截瘫患者恢复取拿物品、喝水等一般自理能力,可以通过两种方式实现,一是在大脑运动中枢植入芯片,通过探测、记录、放大、传输运动神经元发放的神经冲动,对外接机械臂进行运动控制,第二种方式的差异主要在于实现运动执行的途径上,不是通过外接机械臂,而是通过在患者脊髓中植入芯片来控制主管肢体运动的脊神经来实现,这种方式被认为是闭环解决和恢复截瘫患者运动功能的最佳方案,虽然目前还处于实验成功尚未临床应用阶段,但前景非常看好。

2. 在教育培训领域,借助教学辅助设备,比如服务机器人,通过脑控机器人帮助儿童进行认知训练。此外主要是对学生注意力值的实时探测,从而帮助老师及时了解课堂情况改变教学方法。

3. 智能家居是脑机接口与IoT(物联网)跨领域结合的一大想象空间。在这一领域,脑机接口扮演的角色类似于“遥控器”,帮助人们用意念控制开关灯、开关门、开关窗帘等,进一步可以控制家庭服务机器人。

脑-机接口引发的担忧

随着脑-机接口的实施,出现了许多道德考虑因素。 几乎所有重大技术突破中都会带来进一步社会分划风险。那些能够负担得起脑-机接口的人可以大大改善他们的生活--无论是出于严格的医疗原因还是以其他方式提高生活质量。而那些无力负担的民众则将无法从中受益,从而进一步激发社会矛盾。

另一个更让我们担心的问题是,这项技术本质上是在人类大脑和外部世界之间架起了一座桥梁,而外部世界可能被那些心怀不轨的人所操纵。那些妄想不劳而获,觊觎窃取我们大脑信息的行动将导致一些真正可怕的结果。如果软件可以被攻击,现在大脑是软件的一部分,我们可能看到自己也成为黑客入侵的目标之一吗?一种新的计算机病毒能被设计成对人类的身心产生有害影响吗?

在马斯克看来,他所担心的是人类将遭受AI的威胁,我们需要让脑机接口扮演一种大脑与机器连接的媒介,以保证未来人类能与AI对抗。而在这整个发展道路上,不可忽视的“超强人类”、“半机械人”、“意识上传实现人类永生”等话题将成为全人类共同需要面对的课题。

每一次新的、极其强大的技术进步,都有可能带来造福人类的益处,也可能带来可怕的后果。原子能、卫星、基因工程、人工智能:脑-机接口也不例外。只有非常聪明的人才能创造出这些伟大的发明,但要监督这些发明,确保人类不受这些发明的威胁,则需要优秀的、存在道德良知的聪明人。

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