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《经济学人》最新封面评前沿技术:脑机接口正等待远见者的到来

2018-01-08 20:13:36来源: 机器之能 关键字:大脑  经济学人  神经科学

本期《经济学人》共刊发封面文章 6 篇,全部关于脑机接口技术。机器之心节选了其中三篇分享给读者,这三篇文章分别着眼于脑机接口当下的进展、从大脑中提取数据的方式、以及数据获取后的使用方式进行了解析。读罢您将清楚地了解到脑机接口技术此刻所取得的成就、已经应用的领域、遇到的困难与挑战等。

脑机接口

这听起来像是科幻小说中才会出现的概念。

在日内瓦 Wyss 生物和神经工程中心里,实验所用的设备上闪烁着微光。一名实验技术人员从培养箱中取出一块孔板,每个孔中存有一小块来人类干细胞的脑组织,脑组织底部排有电极阵列。屏幕显示着电极正在提取的特征:放电神经元的特征峰谷波形。

这些脑组织已经脱离母体,我们却仍能看到信号的产生,实在是件怪事。神经元放电是生物智能的基础,这些电信号聚合在一起,获取记忆、引导动作、整理思想。就在你读这句话的时候,神经元正在你的大脑中放电:理解页面上的字母形状; 把这些形状变成音位,再把这些音位变成词汇;并给这些词赋予含义。

这样的信号交响乐真叫人眼花缭乱。成年人脑中神经元多达 850 亿个;其中,一个典型的神经元与其他神经元有 10000 个连接。人类正尝试解开这些神经元互相连接的方式,尽管这些研究正处于初期阶段,但是,一旦大脑的秘密被解开,令人瞩目的科研成果将纷至沓来。例如,通过解码神经活动,我们能够利用这些代码控制外部设备。

人脑与机器直接沟通,需要一个脑机接口(BCI)做通道。其实,脑机接口的使用历史可以被追溯至 2004 年,那一年,一个名为 BrainGate 的系统 被植入到 13 名瘫痪者的脑中。这个系统由布朗大学研发(其他一些科研院所也有类似的设备),名为犹他电极阵列的小电极阵列被植入到运动皮层(大脑用于管理运动的一部分)中。这些电极对神经元进行监测,如果被植入者在其意识中试图移动手或胳臂,神经元所释放的电信号将通过电线从人的颅骨中传送到解码器,从而被转换成各种各样的系统,例如帮助被植入着移动光标、控制肢体等。

BrainGate 成功地让一名中风瘫痪的妇女用机械臂喝了无需借助看护者帮助的第一口咖啡。另外,利用该系统,一名瘫痪者能以每分钟 8 个单词的速度打字。更神奇的是,BrainGate 甚至能使瘫痪的四肢重新动起来。今年,凯斯西储大学 Bob Kirsch 领导的一项研究在 Lancet 上发表。该研究人为地部署了 BrainGate 系统用于刺激瘫痪者手臂的肌肉。结果,在一次自行车事故中瘫痪的 William Kochevar 八年来第一次做到了自己进食。

大脑和机器之间的交互还以其他方式改变了生活。2014 巴西世界杯足球赛开幕式上,一名截瘫男子用意念控制机器人外骨骼「机械战甲」开球。最近的一项研究中,图宾根大学 Ujwal Chaudhary 和四名共同作者利用功能性近红外光谱技术(fNIRS)将红外光束射入大脑,并对四名因 ALS 完全无法活动的闭锁综合征患者提出「Yes or No」问题,患者在精神层面对这些问题进行了回答,科学家以可辨认的血氧合模式对患者的反应进行观察。

神经活动可以被刺激和记录。例如,人工耳蜗将声音转换成电信号,并将电信号传送到大脑中。又如,深度脑刺激利用电脉冲帮助帕金森患者控制行动,这种电脉冲通过植入电极的方式进行传递。这项技术也被用于治疗其他运动障碍和精神健康问题。硅谷的一家名为 NeuroPace 的公司通过监测大脑活动,寻找癫痫即将发作的迹象,并对大脑施加电刺激加以阻止。

显而易见,脑机接口也可以用于其他感官的输入输出。加州大学伯克利分校的研究人员解构了人类倾听对话时颞叶(人脑中负责处理听觉信息,也与记忆和情感有关的部分)的电活动;这些解构出来的模式对应着人们所听到的单词。而且,当人类想象听到某个单词时,大脑也会产生类似的信号。这一研究有可能为那些失语症患者(无法理解或表达语言的人)提供语音处理设备。

伯克利的研究人员还利用大脑中的血氧变化重建人们的观影片段,尽管影像有些模糊。这一技术的逆向工程能够被用作刺激盲人的视觉皮层,从而将图像投射到他们的大脑中。

脑机接口的巨大发展潜力和问题相伴而生。当下最先进的科学研究正采用动物实验。Howard Hughes 研究所、Allen 研究所和伦敦大学学院的研究人员开发了名为 Neuropixels 的硅探针,用于监测小鼠和大鼠多种脑区域细胞水平的活动。加州大学圣地亚哥分校的科学家已经建立了这样一个脑机接口,可以通过之前的神经活动预测斑马雀将会唱什么歌。加州理工学院的研究人员对猕猴视觉皮层细胞展开研究,主要研究它们如何编码包括肤色、眼距在内的 50 个不同人脸特征。因此,在给猴子展示人脸时,根据检测到的脑信号,研究人员能以惊人的准确率猜到猴子看到的是哪张人脸。但是,由于人脑更庞大、更复杂,加之政策监管方面的原因,对人类大脑进行科学研究非常困难。

即使脑机接口技术在人类方面有很多实验性的突破,它也很难转化为临床实践。连线杂志早在 2005 年就对当时新推出的 BrainGate 系统进行了一次非常轰动的报道。在该项技术发展的早期,一家名为 Cyberkinetics 的公司尝试将其商业化,但并未成功。此外,NeuroPace 花费了整整 20 年时间开发技术、与监管方进行谈判请求批准,但据其预计,今年将只有 500 名癫痫患者能够被植入该公司的电极并使用其系统。

时至今日,脑机接口技术仍需要专家操作。BrainGate 背后的关键人物之一,布朗大学的神经学家 Leigh Hochberg 教授称:「如果必须让一个神经工程学硕士站在患者旁边操作,这个技术就没由太大的使用价值。」只要电线穿过头骨和头皮,就会有感染的风险。植入物也可能在脑内产生些许位移,这可能损害脑内细胞,而这些细胞正是系统获取信号的来源。大脑对外来异物的免疫反应会在植入电极周围产生瘢痕(原理类似皮肤结痂后细胞分裂过多产生的伤疤),使系统效果变差。

而且,现有的植入物只能记录大脑信号的很小一部分。例如,BrainGate 团队所使用的犹他电极阵列可能只是从这 850 亿个神经元中挑出几百个观察放电动作。西北大学的 Ian Stevenson 和 Konrad Kording 在一篇发表于 2011 年的论文中表明,自 20 世纪 50 年代以来,可同时记录的神经元数量每 7 年翻一番(见图表)。这个速度与集成电路领域的摩尔定律相差甚远。要知道,集成电路的计算能力每两年就能翻一番。

事实上,正是因为神经技术很难走出实验室、走进临床实践,日内瓦的 Wyss 中心才得以存在。该中心负责人 John Donoghue 是 BrainGate 的拓荒者之一。他说,Wyss 中心是为那些有前景的想法而设计的,希望能帮助这些想法跨越若干「死亡之谷」。首先,这些想法要面临财务问题:投资回报期长、科技含量高,这就吓退了大多数投资者。其次,在研发更好的脑机接口过程中,团队需要拥有跨学科的专业知识以及保持复杂的接口项目处于正轨的管理技能。另外,神经科学本身还处于相对早期。Donoghue 博士说:「脑机接口的核心在于理解大脑的工作方式,但事实上我们并不理解。」

这种非凡成就和踌躇进展的奇特混合,如今有了一个新的组成部分:硅谷。2016 年 10 月,通过出售其支付公司 Braintree 获得巨款的企业家 Bryan Johnson 宣布投资 1 亿美元,在 Kernel 创立了一个旨在「读写神经编码」的公司。Johnson 认为,人工智能的兴起需要伴随着人类能力的同步升级。「难以想象,到 2050 年,人类会处于一个无需主动提升自己的世界。」他这样说道,并期待着人类能随心所欲地获得新技能,或者与他人心意相通。去年 2 月,Kernel 收购了 Kendall Research Systems,一家从事神经接口工作的麻省理工学院的衍生公司。

Kernel 认为,脑机接口技术是人类与人工智能协作的方式,以确保人类不会被人工智能征服。Kernal 并不是唯一持有这种想法的公司。2016 年,SpaceX 和特斯拉的老板 Elon Musk 创立了一家名为 Neuralink 的新公司,该公司正在努力创造各种新型植入体。他汇集了许多令人敬佩的联合创始人,并设定了一个目标,即在 2021 年前开发残疾人临床使用的脑机接口。据 Elon Musk 估算,为健全人设计的设备大约还需等待八到十年的时间。

Neuralink 并没有具体说明到底在做什么,但 Wait But Why 网站中的一篇长文章概述了 Elon Musk 的想法。在这篇文章中,他描述了人类之间彼此进行更快速沟通的必要性,同时提到人类与计算机沟通的必要性,否则人类将被人工智能遗弃在尘埃中。文章提到了一些非凡的可能性:从云端立刻汲取知识,或把来自某个人视网膜的图像直接输入到另一个人的视觉皮层;创造全新的感官能力,如红外视力、高频听力等; 最终,融合成为人机混合智能。

4 月份,Facebook 透露了一个创造「无声语言(silent speech)」接口的计划,引起业内不小

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关键字:大脑  经济学人  神经科学

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_201801088379.html
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