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脑机接口 从科幻走进现实
2019-11-07 17:11
来源:中国战略新兴产业
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本文首发于2019年11月01日期

《中国战略新兴产业》

中国战略新兴产业融媒体记者 顾彦

  脑机接口,是一种在人或动物脑与计算机或其他电子设备之间建立联系的全新技术。它收集、识别和转化大脑信号,将发出的指令直接传递给指定的外部机器。简单来说,就是实现用意念控制机器。

  脑机接口,是一种在人或动物脑与计算机或其他电子设备之间建立联系的全新技术。它收集、识别和转化大脑信号,将发出的指令直接传递给指定的外部机器。简单来说,就是实现用意念控制机器。

  今年6月,《Science》杂志公布,美国卡内基梅隆大学教授贺斌团队开发出了一种可与大脑无创连接的脑机接口,能让人用意念控制机器臂连续、快速运动;7月,埃隆·马斯克创立的Neuralink公司发布了一款脑机接口系统,芯片可直连大脑;8月底,在北京举行的2019世界机器人大会脑控打字纪录挑战赛上,来自天津大学的参赛选手使用香港大学、澳门大学联合开发的脑机接口算法,创造了每分钟输出691.55比特的新纪录,相当于每分钟输出69个汉字;9月底,Facebook宣布将收购脑机接口初创公司CTRL-Labs,以开发一种可以与其他设备直观连接的腕带。

  脑机接口这种出现在科幻电影里的技术,正在以超乎想象的速度走进现实。

  侵入式、非侵入式脑机接口取得重大进展

  脑机接口,也称作大脑端口或脑机融合感知。脑是指有机生命形式的脑或神经系统;机是指任何处理或计算的设备,其形式可以是简单电路、硅芯片等外部设备;接口是指二者之间建立的直接连接通路。通过这种通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作。

  脑机接口具有侵入式、非侵入式和半侵入式等三种实现形式。

  侵入式脑机接口,是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层。这样做的好处是可以直接从大脑皮层获取信息,避免神经信号因为远距离传输而衰减,通过这种技术记录到的信号具有极高的信噪比和良好的分辨率。但问题也很明显:首先,植入手术过程存在着一定的风险;其次,电极也很难精确地植入到对应的脑区;随着时间的推移,电极也会被疤痕组织覆盖,这样神经信号就会大幅衰弱,需要重新植入。

  Neuralink发布的就是一款侵入式脑机接口。这套系统的创新之处主要在三方面:一是极细的电极线,这些线的宽度大约是4-6微米,只有人类头发丝的1/4粗细,因此对大脑造成损伤的可能性较小;二是植入线的机器人,它被形象地称为“缝纫机”,能够借助计算机视觉和镜像进行精准操作,一针一针地将线植入大脑,每分钟能够植入6根线;三是用于读取大脑信号的芯片,能够更好地读取、清理和放大大脑信号,可以提供云端支持,通过无线连接甚至可以与Neuralink在iPhone上的应用程序进行互动。据称,目前Neuralink已经可以做到在脑部28平方毫米的面积上,快速植入96根超细管线,总共包含3072个电极,按照每分钟植入6根管线的速度来计算,完成这些管线植入总共仅需16分钟。Neuralink称,其已经在动物身上进行了至少19次手术,植入电线成功率达87%。

  非侵入式脑机接口,则是指无需通过侵入大脑,直接从人的头皮表面记录神经信号。这种方式的好处是对人体损害小,避免了昂贵和危险的手术,而且相较于有创脑机接口,人类可以节省大量的训练时间。但问题在于,由于是在脑外,获得的神经信号更容易受到噪声的干扰,在强度上远不如有创脑机接口。

  贺斌团队开发出的就是非侵入式脑机接口。他们利用新颖的传感和机器学习技术,通过无创神经成像和一种新的连续追踪范式,克服了嘈杂的脑电图信号,显著改善基于脑电图的神经解码,从而实现实时连续的机器人设备控制。这项技术目前已经在68名身体健全的人类受试者中进行了测试,并且成功实现了控制机器人手臂连续跟踪计算机屏幕上的光标。在这之前,由人类非侵入性控制的机械手臂会跟随移动的光标做出不稳定、不连续的动作,而现在,手臂会沿着平滑、连续的路径跟随光标。

  半侵入式脑机接口,需要通过手术将脑机接口植入到颅腔内,但是在大脑皮层之外。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式,但是却优于非侵入式,同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。近期针对这种方式的研究尚无重大进展。

  医疗康复领域应用前景广泛

  脑机接口技术在医疗康复、消费电子、教育、娱乐、军事国防等众多领域具有巨大的应用潜力。尤其是医疗康复领域,能够为一些身体的残疾患者建立一座与外界交互的桥梁,实现康复训练,控制假肢、轮椅等。

  Neuralink正是有志于此。从短期来看,Nerualink的目标是帮助一些有脑神经相关疾病的患者,包括帕金森、肌无力、癫痫等,让这些人群重新获得与周围环境互动的能力;更长期的目标则是更为广泛的认知功能的实现,包括移动、视觉、空间定位、语言、记忆甚至是数理逻辑等。Neuralink首席神经外科医生Matthew McDougall在发布会上表示,目前这一系统只针对有严重疾病的患者,计划在2020年第二季度进行首例人体临床实验,但前提是得到美国食品药品监督管理局的批准。

  Facebook似乎更关注消费领域。此次其收购的CTRL-Labs,是一家总部位于纽约的从事脑机接口研发的初创公司,目前该公司已经研发出的产品为可以佩戴在手腕上的类似手表的传感器,该传感能够接收肌肉神经信号,并传输该信号并实现对机器设备的控制。被Facebook收购后,CTRL-labs将会并入该公司旗下的“现实实验室”,该实验室主要从事虚拟现实和增强现实应用的相关研发。Facebook AR/VR副总裁Andrew Bosworth表示,他们将会进行大规模地开发和构建脑机接口技术,并将其更快地用于消费产品中。

  国内也有多个研究项目和公司致力于脑机接口技术和产品的研发。

  由盛大网络创始人陈天桥及其妻子雒芊芊共同出资成立的陈天桥雒芊芊研究院,聚焦脑科学领域研究。其脑机接口项目主要致力于对病人尤其是瘫痪病人的治疗,探索通过脑机接口让瘫痪病人用意念精确控制机械臂,甚至模拟触觉。

  由哈佛大学脑科学中心博士韩璧丞及其团队创立的BrainCo成立于2015年,专注于非侵入式脑机接口技术研究和应用。目前主要针对两个领域推出了产品:一款是应用于教育领域的赋思头环,作用是监测与提升注意力,这款产品能够采集佩戴者的脑电波信号并转化成注意力指数,实时跟踪学习者注意力情况,使用者还可以通过配套课程训练提升专注力;另一款是应用于医疗康复领域的智能假手,可以通过肌肉神经信号直接控制,目前除了可以实现握手、抓杯子等日常操作之外,已经有残疾患者通过练习实现了写毛笔字、弹钢琴等更为复杂的操作。

  近日,臻泰智能宣布获得联想创投数百万元天使轮融资。臻泰智能2018年在西安注册成立,专注于脑控医疗康复系统的应用研究及临床应用,目前已布局辅助交互及康复治疗设备,包括辅助行走、康复训练等,以及面向人体精神状态及神经性疾病的相关检测应用。据悉,臻泰智能自主研发了一种基于视觉诱发的新型脑控运动康复方式——应用稳态运动视觉诱发脑电技术,设计出运动刺激范式,结合VR运动场景,形成主被动协同康复训练系统。

  安全风险和伦理问题仍待解决

  不过需要注意的是,脑机接口技术存在的风险也引发了人们的高度关注和担忧。广西政协教科卫体委员会副主任、桂林电子科技大学教授古天龙在其分析文章中指出,人类生命安全问题、个人隐私安全问题、知情和同意权问题、自主性和责任归属、社会公平公正问题、对人类社会的冲击等,都是脑机接口技术在未来发展中需要面临的挑战。

  比如,人类生命安全方面,侵入式或半侵入式脑机接口需要在脑部进行芯片等硬件植入,会破坏脑部的天然物理防护,若相关软硬件设施被非法使用(如输入恶意信号、更改信号阈值),可能引发脑部混乱,严重情况下将导致脑部受损,甚至危及生命安全。人类经过成千上万年的物种进化过程,对在自然界可能遭受到的伤害具有一定的自我恢复能力,可以应对划伤、烧伤、病毒、细菌等伤害。但是,当脑机接口带来伤害时,我们的身体该如何恢复?人类又该如何应对?

  再比如,个人隐私安全方面,脑机接口技术不但能采集人类已表达出来的隐私信息,还将具备采集各种仅存储在大脑内部的隐私信息的能力,如健康状况、生活经历、财产状况、婚恋、社会关系、信仰、心理特征等。如何限制脑机接口技术对人类隐私的收集、分析、传播与使用?如何避免人类在脑机接口面前变成“透明人”?这些都是脑机接口技术研发所必须解决的问题。

  古天龙认为,短时间内这些问题可能无法完全解答,但却需要我们尽早正视、认真对待。政府、相关行业组织、广大从业人员应重视管控制度的建立与完善,以保障脑机接口技术在研发、使用及普及过程中能够合理、有效地制衡相关各方的利益。普通民众要充分且清晰地认识到脑机接口技术可能给人类带来的机遇和挑战,尤其是对人类认知、文化、人格等方面的影响,以及各种潜在的伦理和风险问题。

  复旦大学附属华山医院副院长毛颖在接受媒体采访时表示,未来在与人工智能的共生和融合过程中,如何确保研究方向符合人类利益是值得关注的另一个层面。人工智能的发展会给人类大脑的发展插上翅膀,在这一发展过程中也要密切关注其可能产生的风险并加以控制。


  END

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