科学家欲精确描绘霍金大脑思想

2012-05-17 20:43:46来源: 中国青年报 关键字:精确  描绘  思想

CFP供图

  过去30年里,患有运动神经疾病的英国物理学家斯蒂芬·霍金一直用残存的肢体能力,表达这颗世界最聪明大脑里的所思所想。但眼下,随着身体机能不断衰退,一切奥妙的思想可能都要永久封存在这颗大脑里了。

  全球的科学家可不允许这样糟糕的情况发生。“现在他正和不同团体合作,研究新的技术。”负责管理霍金沟通设备的助理约瑟夫·伍德对中国青年报记者说,“这些技术都代表着科学发展的方向,将为人类的通讯带来新希望。”

  最引人注目的莫过于一套名为“iBrain”的脑神经设备。它由美国脑神经科学家飞利浦·娄领头研发,眼下正针对霍金开展实验。

  “希望有一天霍金能够绕开残障的身体,仅靠‘想法’就能与外界沟通。”他说。

  从外形上看,“iBrain”酷似一条简约的黑色头带,上面安装了火柴盒大小的传感器,“比一盒香烟还轻”。它的重要使命是检测脑电波,了解人们“正在想什么”。

  尽管实验结果目前仍未正式发布,但娄对“心想事成”的前景雄心勃勃。“我们已经发现,当霍金教授正在想某些东西时,设备可以检测出来。”这位美国科学家说,“这实在太令人兴奋了,这意味着那些瘫痪的、不能与外界沟通的人,可能很快会得到帮助。”

  我们可以精确描绘霍金的大脑里正在发生什么

  当娄带着iBrain设备来到霍金位于剑桥大学的办公室时,这位有“宇宙之王”之称的英国科学家面无表情。他一动不动地躺在轮椅上,头向左歪斜着,全身唯一还能运动的,只剩下右眼下方的脸颊肌肉。

  过去几年来,这一小块肌肉成了霍金与外界沟通的唯一工具。他的眼镜镜框上挂着一个小小的红外线感应器,感应器又连着他的电脑。只要动一动脸颊,霍金就可以操作电脑上为他定制的一份特殊菜单。“他可以独立地回复邮件,与别人聊天,上各种网页。”伍德说。

  娄想到的却是另一种完全不同的沟通方式。他小心翼翼地为霍金佩戴上iBrain头带,让后者“想象自己正在将右手握成一个拳头”。

  “当然,他的手已经不能真的运动了,但他大脑的皮质运动区依然会发布命令,在脑中产生电波。”娄解释说,人脑细胞多如繁星,约有1000多亿个,为了完成某项指令,细胞之间互相发布信号进行沟通,而iBrain能够检测出信号的变化。

  这项实验自去年夏天就已启动。娄反复让霍金想象自己正在操作不同的动作, 同时一一记录下与霍金“某个想法”相配对的脑电波信号,实验结果将汇聚成一个“超级庞大的脑电波数据库”。

  “我们想看看霍金的大脑能不能产生持续稳定的信号模式,以便用电脑将这些信号翻译成一个字母,一个单词,或者一个命令。”娄说。

  事实上,这样的沟通方式在脑神经科学界早已不是神秘技术。清华大学专攻神经工程学的教授高小榕介绍,这种技术意味着“直接从大脑提取信号,去控制人体外部各种各样的电子设备”,被称为“脑机接口”。最早的研究起步于上世纪70年代的美国。

  2005年,清华大学也向公众展示了一项奇特的机器狗实验。人们只需坐在椅子上,光凭自己的大脑就能控制身边一只机器狗的运动,“人想着左手运动,狗就往左边走,想着右手运动,狗就向右边走”。

  背后的原理其实并不玄妙。实验时,人们戴上一个附有传感器的头罩,头罩连接着一台计算机,计算机又连接着机器狗。人们只要“想一想”,计算机便可以读取到相应的脑电波,将脑电波翻译后,再向机器狗发出指令。

  不过,要让计算机读取清晰的脑电波,人们还得先接受培训,学习“怎么想”。高小榕说,由于不同人控制大脑的能力有差异,有的人只需半小时就能学会控制机器狗,有的人则要花几个小时。

  在英国剑桥,娄让前往采访的《纽约时报》记者一同参与实验,想象某样东西,结果发现“霍金比记者做得好很多”。“霍金的大脑拥有特别厉害的专注能力。”娄说。

  对于脑电波,高小榕介绍,目前国际上的观测水平还只能读取“粗糙的想法和意图”,比方说人们想移动左手、右手、双脚或者舌头,但还不能检测出例如“我想喝杯茶”这样具体的信息。

  部分原因是由于大部分的检测仪器都置于头皮以外,离大脑的信号发射源很远。“这就像你站在大礼堂的外面,却想听清楚大礼堂里头到底谁在说话。”高小榕比喻说。

  但娄希望打破这个限制。早在攻读博士学位时,他已经设计出一套算法,用于“翻译”这些相对微弱的脑电波。利用这套算法,娄可以将霍金的脑电波变成一张形象的“大脑活动地图”,追踪霍金具体的想法。

  “有了这套算法,还有脑电波数据库,我们就可以精确地描绘霍金的大脑里正在发生什么。”娄对中国青年报记者说。通过之前的实验,他已经发现iBrain可以检测出人们一些具体的想法,“比方说一个人正在想象自己在家里,看着睡床”。

  对于实验结果,娄目前不愿透露太多。他计划在今年7月,与霍金一同出席在剑桥大学举办的一个神经科学大会,公布他从霍金大脑中得到的所有数据。“很长时间以来,人们都以为不能从人脑中读取精确信息,但事实是,我们正在证明,这是可以做到的。”娄说。

  如果没有这些辅助手段,霍金大概活不到今天

  这并不是霍金第一次走到沟通技术发展的尖端了。

  早在1986年,霍金就开始使用一部声音合成器,帮助他将写好的文字转化成声音。此前一年,他感染了肺炎,不得不进行气管切开术,从此失去了说话的能力。

  为了让霍金重新“发声”,剑桥大学研究适应性沟通的学者大卫·马森找来当时的电话答录机研究一番,成功改装出一部当时极其罕见的声音合成器。虽然这部机器生成的声音“有点像机器人”,“还带着些美国口音”,但霍金欣然接受了它。如今,这略显生硬的声音早已成为霍金的标志之一。

  在当时,随着运动神经疾病的不断恶化,霍金身上只有几根手指能够运动了。美国一家计算机公司的科学家专门设计了一个触碰式鼠标,以及一个不断滚动着26个英文字母的电脑界面。当特定字母出现时,霍金只需轻抬手指,便能选中字母。选中头几个字母后,电脑还会进一步联想,为霍金提供一些合适的词语。

  要维护好这一套先进的设备并非易事。曾连续5年担任霍金技术员的森姆·布莱克本至今记得,他会在深夜1点收到霍金私人助理的电话:“斯蒂芬现在说不了话,我们该怎么办?”

  而到了后来,霍金甚至连一根手指也动不了了,布莱克本又将鼠标改成了一个感应脸颊运动的红外线感应器,霍金的手指功能便被一小块脸颊肌肉所替代。

  高小榕说,长久以来,帮助残疾人使用计算机的传统理念就是“利用各种各样的残存能力”,这可能是一根能够活动的手指,甚至是“呼吸吹气的能力”和“舌头活动的能力”,后来人们才开始“异想天开”,“想象直接从脑子里提取信号”。

  “如果没有这些辅助手段来帮助霍金,他大概活不到今天。”高小榕说,残疾人一旦不能正常表达自己,告诉别人自己哪里不舒服,生命便会受到影响。

  2010年,高小榕与同事曾给一个与霍金相似的残疾人装上辅助沟通设备,让他通过眨眼睛来操作电脑。没想到,这位残疾人“说”的第一句话竟然是“我心脏不舒服,带我去医院”,这让高小榕大为震惊。

  不过,霍金做到的还不仅仅是生存下来。在几个手指还能动弹的时候,他通过辅助设备写出了许多讲义、论文,和包括畅销书《时间简史》在内的不少经典著作,尽管他最快的“打字”速度仅仅是每分钟4个英文单词。

  “斯蒂芬一个字母一个字母地撰写、编辑了《时间简史》,这真让人难以置信。”伍德说。

  霍金还曾经参演美国大片《星际争霸战》,又在热门动画片《辛普森一家》真人版中露过脸。今年4月,他在万众期待下出现在美国当前最受欢迎的电视剧《生活大爆炸》中,用经典的“机器人声音”对男主角说:“你关于希格斯粒子是个黑洞,而且能加速时间反演的理论非常吸引人——只可惜它是错的。”

  21岁时,这个刚刚崭露头角的英国科学家被确诊患有运动神经疾病,医生断言他将在随后2~5年内离开人世。然而,今年1月8日,霍金已经度过了人生中第70个生日,全世界顶尖的宇宙学家齐集剑桥大学,为他举办了为期4天的庆祝活动。

  庆典的高潮是霍金通过辅助设备发表的题为“我的简史”的公开演讲。“记住,要抬头看天上的繁星,而不是低头看自己的双脚。”霍金在演讲中说。

  一套设备用久了,就变成了他的一部分

  实际上,霍金大概正不得不面对令他无奈的现实。因为身体不适,他未能出席不久前自己的生日庆典。

  “霍金‘说话’越来越慢了,在糟糕的日子里,他一分钟只能说出一个单词。”霍金的私人助理朱迪丝·凯萝丝戴尔说,“这可能是由于脸颊肌肉的退化,我们正在寻找办法改善情况。”

  除了iBrain外,英特尔公司也正在紧锣密鼓地为霍金研发新技术。“我们可以看看‘表情识别’技术是否可行,熟悉霍金的人说,他们还是可以分辨出他的一些表情。”英特尔首席技术官贾斯丁·阿特纳说。

  对霍金来说,用“表情”来替代脸颊肌肉的沟通手段或许更容易接受。“对新技术,斯蒂芬总是满怀热情的,不过说到要替代他当前所用的设备,他的态度就有些不一样了。”伍德说,“这是可以理解的,一套设备用久了,就变成了他的一部分。”

  尽管更轻便、发声更流畅的发声合成器早就在美国普及,但直到现在,霍金依然在使用上世纪80年代的那一部合成器,并对它情有独钟。“这是我听过的最好的声音。”霍金曾经这样说。

  每一回有新的通讯专家给霍金展示新技术时,他操作当前系统的速度还会突然变得快起来。“他一定要去证明,自己还有能力使用目前的系统。”布莱克本说。

  据伍德透露,今年下半年,霍金希望尝试英特尔研发的新技术。“但如果情况有变,我会试试飞利浦·娄的系统。”霍金说。

  娄希望确保的是,“即使有一天霍金完完全全瘫痪了,也可以让他仅靠大脑就能与外界沟通”。

  高小榕认为,“脑机接口”技术是帮助残疾人的“最终方向”,比起利用不同残存能力的各种设备,“脑机接口”可以提供“通用、全面的解决方案”。

  高小榕想象,在很久以后的未来,“脑机接口”技术可能会为人类创造一个类似电影《阿凡达》所描述的奇幻世界。“一个人躺在那里,他只要去想,我们就可以将他的想法翻译出来,去控制另一个实体。”高小榕说。

  对这种大胆的沟通手段,许多人目前还持保守态度。高小榕不时会收到市民的来信,表达对这种类似“读心术”的技术的担忧,害怕有一天“自己的大脑被控制”。

  但在娄看来,“脑机接口”的主要目标还是帮助人们更好地沟通,恐惧大可不必。“与我们不一样,世界上有很多人失去了与别人沟通的肢体能力,但他们同样有强烈的渴望,去表达自己。”娄说,“我认为,这个世界不应该害怕沟通。”

关键字:精确  描绘  思想

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2012/0517/article_2880.html
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