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腦機接口 從科幻走進現實
2019-11-07 17:11
來源:中國戰略新興產業
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本文首發于2019年11月01日期

《中國戰略新興產業》

中國戰略新興產業融媒體記者 顧彥

  腦機接口,是一種在人或動物腦與計算機或其他電子設備之間建立聯系的全新技術。它收集、識別和轉化大腦信號,將發出的指令直接傳遞給指定的外部機器。簡單來說,就是實現用意念控制機器。

  腦機接口,是一種在人或動物腦與計算機或其他電子設備之間建立聯系的全新技術。它收集、識別和轉化大腦信號,將發出的指令直接傳遞給指定的外部機器。簡單來說,就是實現用意念控制機器。

  今年6月,《Science》雜志公布,美國卡內基梅隆大學教授賀斌團隊開發出了一種可與大腦無創連接的腦機接口,能讓人用意念控制機器臂連續、快速運動;7月,埃隆·馬斯克創立的Neuralink公司發布了一款腦機接口系統,芯片可直連大腦;8月底,在北京舉行的2019世界機器人大會腦控打字紀錄挑戰賽上,來自天津大學的參賽選手使用香港大學、澳門大學聯合開發的腦機接口算法,創造了每分鐘輸出691.55比特的新紀錄,相當于每分鐘輸出69個漢字;9月底,Facebook宣布將收購腦機接口初創公司CTRL-Labs,以開發一種可以與其他設備直觀連接的腕帶。

  腦機接口這種出現在科幻電影里的技術,正在以超乎想象的速度走進現實。

  侵入式、非侵入式腦機接口取得重大進展

  腦機接口,也稱作大腦端口或腦機融合感知。腦是指有機生命形式的腦或神經系統;機是指任何處理或計算的設備,其形式可以是簡單電路、硅芯片等外部設備;接口是指二者之間建立的直接連接通路。通過這種通道,人就可以直接通過腦來表達想法或操縱設備,而不需要語言或動作。

  腦機接口具有侵入式、非侵入式和半侵入式等三種實現形式。

  侵入式腦機接口,是指通過手術等方式直接將電極植入到大腦皮層。這樣做的好處是可以直接從大腦皮層獲取信息,避免神經信號因為遠距離傳輸而衰減,通過這種技術記錄到的信號具有極高的信噪比和良好的分辨率。但問題也很明顯:首先,植入手術過程存在著一定的風險;其次,電極也很難精確地植入到對應的腦區;隨著時間的推移,電極也會被疤痕組織覆蓋,這樣神經信號就會大幅衰弱,需要重新植入。

  Neuralink發布的就是一款侵入式腦機接口。這套系統的創新之處主要在三方面:一是極細的電極線,這些線的寬度大約是4-6微米,只有人類頭發絲的1/4粗細,因此對大腦造成損傷的可能性較小;二是植入線的機器人,它被形象地稱為“縫紉機”,能夠借助計算機視覺和鏡像進行精準操作,一針一針地將線植入大腦,每分鐘能夠植入6根線;三是用于讀取大腦信號的芯片,能夠更好地讀取、清理和放大大腦信號,可以提供云端支持,通過無線連接甚至可以與Neuralink在iPhone上的應用程序進行互動。據稱,目前Neuralink已經可以做到在腦部28平方毫米的面積上,快速植入96根超細管線,總共包含3072個電極,按照每分鐘植入6根管線的速度來計算,完成這些管線植入總共僅需16分鐘。Neuralink稱,其已經在動物身上進行了至少19次手術,植入電線成功率達87%。

  非侵入式腦機接口,則是指無需通過侵入大腦,直接從人的頭皮表面記錄神經信號。這種方式的好處是對人體損害小,避免了昂貴和危險的手術,而且相較于有創腦機接口,人類可以節省大量的訓練時間。但問題在于,由于是在腦外,獲得的神經信號更容易受到噪聲的干擾,在強度上遠不如有創腦機接口。

  賀斌團隊開發出的就是非侵入式腦機接口。他們利用新穎的傳感和機器學習技術,通過無創神經成像和一種新的連續追蹤范式,克服了嘈雜的腦電圖信號,顯著改善基于腦電圖的神經解碼,從而實現實時連續的機器人設備控制。這項技術目前已經在68名身體健全的人類受試者中進行了測試,并且成功實現了控制機器人手臂連續跟蹤計算機屏幕上的光標。在這之前,由人類非侵入性控制的機械手臂會跟隨移動的光標做出不穩定、不連續的動作,而現在,手臂會沿著平滑、連續的路徑跟隨光標。

  半侵入式腦機接口,需要通過手術將腦機接口植入到顱腔內,但是在大腦皮層之外。雖然其獲得的信號強度及分辨率弱于侵入式,但是卻優于非侵入式,同時可以進一步降低免疫反應和愈傷組織的幾率。近期針對這種方式的研究尚無重大進展。

  醫療康復領域應用前景廣泛

  腦機接口技術在醫療康復、消費電子、教育、娛樂、軍事國防等眾多領域具有巨大的應用潛力。尤其是醫療康復領域,能夠為一些身體的殘疾患者建立一座與外界交互的橋梁,實現康復訓練,控制假肢、輪椅等。

  Neuralink正是有志于此。從短期來看,Nerualink的目標是幫助一些有腦神經相關疾病的患者,包括帕金森、肌無力、癲癇等,讓這些人群重新獲得與周圍環境互動的能力;更長期的目標則是更為廣泛的認知功能的實現,包括移動、視覺、空間定位、語言、記憶甚至是數理邏輯等。Neuralink首席神經外科醫生Matthew McDougall在發布會上表示,目前這一系統只針對有嚴重疾病的患者,計劃在2020年第二季度進行首例人體臨床實驗,但前提是得到美國食品藥品監督管理局的批準。

  Facebook似乎更關注消費領域。此次其收購的CTRL-Labs,是一家總部位于紐約的從事腦機接口研發的初創公司,目前該公司已經研發出的產品為可以佩戴在手腕上的類似手表的傳感器,該傳感能夠接收肌肉神經信號,并傳輸該信號并實現對機器設備的控制。被Facebook收購后,CTRL-labs將會并入該公司旗下的“現實實驗室”,該實驗室主要從事虛擬現實和增強現實應用的相關研發。Facebook AR/VR副總裁Andrew Bosworth表示,他們將會進行大規模地開發和構建腦機接口技術,并將其更快地用于消費產品中。

  國內也有多個研究項目和公司致力于腦機接口技術和產品的研發。

  由盛大網絡創始人陳天橋及其妻子雒芊芊共同出資成立的陳天橋雒芊芊研究院,聚焦腦科學領域研究。其腦機接口項目主要致力于對病人尤其是癱瘓病人的治療,探索通過腦機接口讓癱瘓病人用意念精確控制機械臂,甚至模擬觸覺。

  由哈佛大學腦科學中心博士韓璧丞及其團隊創立的BrainCo成立于2015年,專注于非侵入式腦機接口技術研究和應用。目前主要針對兩個領域推出了產品:一款是應用于教育領域的賦思頭環,作用是監測與提升注意力,這款產品能夠采集佩戴者的腦電波信號并轉化成注意力指數,實時跟蹤學習者注意力情況,使用者還可以通過配套課程訓練提升專注力;另一款是應用于醫療康復領域的智能假手,可以通過肌肉神經信號直接控制,目前除了可以實現握手、抓杯子等日常操作之外,已經有殘疾患者通過練習實現了寫毛筆字、彈鋼琴等更為復雜的操作。

  近日,臻泰智能宣布獲得聯想創投數百萬元天使輪融資。臻泰智能2018年在西安注冊成立,專注于腦控醫療康復系統的應用研究及臨床應用,目前已布局輔助交互及康復治療設備,包括輔助行走、康復訓練等,以及面向人體精神狀態及神經性疾病的相關檢測應用。據悉,臻泰智能自主研發了一種基于視覺誘發的新型腦控運動康復方式——應用穩態運動視覺誘發腦電技術,設計出運動刺激范式,結合VR運動場景,形成主被動協同康復訓練系統。

  安全風險和倫理問題仍待解決

  不過需要注意的是,腦機接口技術存在的風險也引發了人們的高度關注和擔憂。廣西政協教科衛體委員會副主任、桂林電子科技大學教授古天龍在其分析文章中指出,人類生命安全問題、個人隱私安全問題、知情和同意權問題、自主性和責任歸屬、社會公平公正問題、對人類社會的沖擊等,都是腦機接口技術在未來發展中需要面臨的挑戰。

  比如,人類生命安全方面,侵入式或半侵入式腦機接口需要在腦部進行芯片等硬件植入,會破壞腦部的天然物理防護,若相關軟硬件設施被非法使用(如輸入惡意信號、更改信號閾值),可能引發腦部混亂,嚴重情況下將導致腦部受損,甚至危及生命安全。人類經過成千上萬年的物種進化過程,對在自然界可能遭受到的傷害具有一定的自我恢復能力,可以應對劃傷、燒傷、病毒、細菌等傷害。但是,當腦機接口帶來傷害時,我們的身體該如何恢復?人類又該如何應對?

  再比如,個人隱私安全方面,腦機接口技術不但能采集人類已表達出來的隱私信息,還將具備采集各種僅存儲在大腦內部的隱私信息的能力,如健康狀況、生活經歷、財產狀況、婚戀、社會關系、信仰、心理特征等。如何限制腦機接口技術對人類隱私的收集、分析、傳播與使用?如何避免人類在腦機接口面前變成“透明人”?這些都是腦機接口技術研發所必須解決的問題。

  古天龍認為,短時間內這些問題可能無法完全解答,但卻需要我們盡早正視、認真對待。政府、相關行業組織、廣大從業人員應重視管控制度的建立與完善,以保障腦機接口技術在研發、使用及普及過程中能夠合理、有效地制衡相關各方的利益。普通民眾要充分且清晰地認識到腦機接口技術可能給人類帶來的機遇和挑戰,尤其是對人類認知、文化、人格等方面的影響,以及各種潛在的倫理和風險問題。

  復旦大學附屬華山醫院副院長毛穎在接受媒體采訪時表示,未來在與人工智能的共生和融合過程中,如何確保研究方向符合人類利益是值得關注的另一個層面。人工智能的發展會給人類大腦的發展插上翅膀,在這一發展過程中也要密切關注其可能產生的風險并加以控制。


  END

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