狐狸实验室 | 心对脑、脑对机!脑机接口终于实现读心术了吗

原标题:狐狸实验室 | 心对脑、脑对机!脑机接口终于实现读心术了吗

文 / 周亦川 管颜青 编 / 袁月

【搜狐健康】上个月,顶尖学术期刊《科学》旗下的《科学.机器人》刊登了BCI领域的一项突破成果,美国卡内基梅隆大学的贺斌教授带领其研究团队与明尼苏达大学合作,成功开发出了一种可与大脑无创连接的“BCI”,能让人用意念控制机器臂连续、快速运动。

这项研究的诞生引发无数网友好奇,人居然可以像漫威英雄们那样用意念操控外物,未来甚至可以一句话不说就可以读懂别人的脑电波?这到底是什么黑科技?

7月14日,搜狐健康·狐狸实验室对话北京大学国际医院神经内科主任医师刘献增教授,为我们解读这种听起来像是超能力一样的新技术。

问:为何越来越多的学者认为“BCI”已成为最热门最火热的黑科技?

刘献增教授:想象你生活在这样一个世界里,人们通过思想来操作电脑、驾驶汽车、与他人交流,不再需要笨重的键盘和液压方向盘……在这样的世界里,依靠身体动作或言语来表达意图已经变得毫无意义。你的想法会被有效而完美地转化为纳米工具的细微操作或者尖端机器人的复杂动作。不用动手输入一个字,也不用动口说出一个词,你就可以在网络上与世界任何地方的人进行交谈。

在这样的世界中,你可以把思想转化为有形的动作、印象或情感,这种转化可以发生在你身边,也可以发生在遥远的其他国家。你只需要动脑想一想,完全不需要收缩任何一块肌肉。

这种惊人的能力不仅可以让正常人神通广大,也可以让残障人士获得新生。通过神经义肢,残障人士能够重新获得运动能力。神经义肢是一种大小类似心脏起搏器的设备,它通过大脑电活动来调节丝绸般纤薄的可穿戴机器人。它是一种像第二皮肤一样柔软精致的马甲,却又像甲虫外骨骼一样具有保护作用。这样的衣服可以支持一个人的体重,可以让曾经失去希望的残障人士重新迈开脚步,甚至再一次开始奔跑,让他们得以自由地探索世界。

这些不是奇迹也不是魔法,而一切源于我们的思想。这样的奇观不止出现在科幻作品中,正在我们的眼前逐渐形成,这就是BCI技术。

2001年,世界一流出版物《麻省理工科技评论》将BCI领域评为改变世界的10大新兴技术之一,因为这项技术在最初的十年已经获得了非凡的成就。短短的十年中,来自世界各地的实验室在动物实验和初期的人类研究中已经证明,受试者可以只通过脑活动,在身体没有任何动作的情况下,实时地控制机器人的手臂和腿的运动。可以是本地控制,也可以是远程控制。

BCI领域著名科学家,美国杜克大学神经工程研究中心创始人,现任杜克大学医学院神经生物学教授的米格尔·尼可莱利斯教授在2002年已经实现了“意念控制”的动物实验。通过训练一只名叫贝拉的猴子,成功将猴子脑中的意念活动通过BCI导入到外界,控制了一只机械臂的动作。2008年1月,他展现了更加惊人的成果:一个远在日本东京的机器人行走,完全受到了美国达勒姆实验室中猴子的“意念控制”——整个控制闭环所需要的时间,比猴子自身将大脑意念传递到自己肌肉控制时间还要短20毫秒。

问:为什么“BCI”技术如此神奇,它的原理是什么呢?

刘献增教授:听起来不可思议的BCI技术指的是脑、机、接口三者的结合,是将大脑的信息通过适当的接口技术来读取,并操控外部设备的动作。这些外部设备可以是一个机械臂,可以是虚拟键盘,可以是其他任何想要操控的东西。

BCI是运用遍布脑部的电极传感器来接收大脑发出的试图驱动肢体去完成某个动作的神经信号,再把这些神经信号转化成数字信号让机械运动,同时机械也把运动信号(比如触感)反馈给大脑。人和动物也就能通过大脑的想象去控制各式各样的机械,帮助他去完成想做的动作。

简单理解,也就是可以通过你的“意念力”控制一套机械进行运动。

问:目前这项技术应用的情况如何?

刘献增教授:如果你关注过《挑战不可能》节目的话,可能会记得一名特殊的渐冻症患者——王甲。几乎失去了所有运动机能的他,通过对视觉神经信号的解码,在电脑屏幕上打出了著名作家舒婷的诗句:“希望,而且为之奋斗,把这一切放在你的肩上。

目前的BCI技术主要的目标人群正是像王甲一样的残疾人,帮助他们重建正常人的生活能力。

BCI最著名的应用案例是2014年巴西世界杯开幕式上的一幕,一位脊髓损伤后截瘫9年的患者应用了人类脑机双向接口系统,经过虚拟行走、踢球的训练后,学会了通过外骨骼控制运动,成功开出了第一脚球,他激动地说:“我感觉到球了!”这给广大截瘫患者带来了曙光。

2016年,《自然》杂志又带来一份重磅研究,这是BCI研究的又一个里程碑。一只脊髓半切断的灵长类动物——一侧后肢瘫痪的猴子接受了一个名叫“脑-脊髓接口”的神经假体界面的治疗。研究人员绕过猴子脊髓受损部分,重新在大脑与受损脊髓远端搭建起连接,让猴子重新获得了对瘫痪后肢的控制,在没有经过训练或物理治疗的情况下,四肢能够正常行走。

实验表明,对于部分受损的脊髓,该脑-脊髓接口能够立即见效。研究人员还表示,在药物辅助下,该接口应该能够用于受损更加严重的脊髓。实际上,灵长类动物在脊髓部分受损的情况下,一般三个月以后就能自动恢复全部的行走能力。

该合作项目的带头人、EPFL 实验室神经科学家 Grégoire Courtine 表示,这是第一次人类通过神经科技恢复(非人类)灵长类的运动功能。“当然,前面还有很多挑战,这项发明的所有要素集齐并在人体测试可能还需要很多年。”Courtine 补充说。

另一名研究人员Tomislav Milekovic则表示,使用脑-脊髓接口,由大脑控制的神经假体恢复复杂且精准的运动,取决于研究人员能够准确地从大脑神经活动中解释行走的意图。“随着记录和解释大脑活动能力的提高,在恢复因神经损伤或疾病所致的运动和认知障碍方面的能力愈发有效。将来有一天,神经假体或许能让截瘫患者自由地活动手部或腿部,与受伤前无异,患者甚至都察觉不到神经假体的存在。”

问:据我们了解,这项技术正在由植入式转变为非植入式,那么这一研究目前的进展如何,未来又会有怎样的发展?

刘献增教授:以往能够操控物体移动的BCI技术均为植入式,需要外科手术植入电极采集神经信号,读取人脑意图,转化为外部设备控制指令。但这种技术的关键问题就是电极植入的准确性,因为电极很难精确定位到需要植入的脑区,即使找到脑区,植入电极后,患者还需要经过大量时间的训练才能使用。此外,受试者也还面临潜在风险。因此,植入式的BCI使用仅限于少数临床病例。

因此,开发侵入性较小甚至完全无创的技术成为BCI领域的一大挑战。如果无需脑部植入就可以实现靠“意念”操纵环境或机械肢体,BCI技术将帮助众多瘫痪患者和运动障碍患者大大提升生活质量,也有望为普通人群带来广泛的应用。

就在上个月,顶尖学术期刊《科学》旗下的《科学.机器人》刊登了BCI领域的一项突破成果,美国卡内基梅隆大学的贺斌教授带领其研究团队与明尼苏达大学合作,成功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。

为了帮助更多具有运动障碍或者不方便行动的群体,贺斌教授团队开发出了一种无创BCI,可在不需要手术的情况下,仅通过一顶“电极帽”直接从人的头皮表面获取神经信号,从而指挥机械臂行动。不仅对人体的损伤较小,还可以节省大量的训练时间。

研究中采用了无创的脑电图源神经成像技术,可以通过头部的电特性和几何形状来推断大脑皮质的活动。这种新技术过去在离线神经解码中显示出有减轻噪音影响的优势。研究团队这次开发了实时平台,帮助提高时间分辨率和空间分辨率。

研究人员介绍说,这种无创BCI技术采用脑电图记录大脑深处的信号,并利用脑电图源成像技术和机器学习技术提高了以往对机器臂的高分辨率控制。相比其他无创的BCI技术,在二维平面控制光标移动的传统任务中,这种新技术的机器学习能力提高了近60%。而在另一个更接近现实使用的情境中,也就是由用户采用运动想象来连续追逐随机移动的光标,这个任务的学习成绩提高了5倍以上。

也就是说,人们可以摆脱各种操作面板、鼠标、键盘,仅靠自己的意念操控机器帮助工作。

据了解,目前这项技术已经在68名身体健全的人类受试者中进行了测试,已成功实现了普通人对虚拟设备和机器臂的控制。

问:在您看来,“BCI”技术能否让读心术称为现实?

刘献增教授:大多数的BCI技术研究可能会专注于开发新颖的治疗及康复工具。但在所有的可能性中,该领域可能有助于对神经生理学原则更深入的理解。大脑的动态学变化将成为我们考察人类心智错乱的媒介,就像大脑的特殊活动可以导致癫痫一样,也可以根据大脑异常放电的水平,对多种中枢神经系统其他功能紊乱的严重程度进行评估。

从这一角度考虑,我们可以对精神疾病患者“读心”,精神疾病和神经疾病的传统差别也许会消失。通过认识这些疾病的本质,可以对疾病有更多的理解,以及研发治疗方法。

比如,我们通过基因敲除和药物诱导的方法,使大鼠表现出各种认知功能障碍以及精神疾病患者的异常行为。通过研究大鼠脑内的神经元群活动,探讨大脑中的这些特定改变与大鼠异常表现之间存在的相关性。对实验大鼠收集到的信息进行整合,可以形成一个更为详尽和多维的大脑空间图,也许可以使我们对多种传统的神经疾病和精神疾病进行分类。

长期来看,这项研究可协助神经病学家判断患者大脑的动态学变化,并在出现症状之前预测某人患帕金森或抑郁症、狂躁、妄想、精神错乱等疾病的概率,这种统一化的标准可协助医生对脑功能进行量化评估,评估治疗的有效性或有益性。

问:那什么时候普通人群也可以用的上呢?

刘献增教授:BCI技术应用不仅局限于医疗康复领域,人类可以利用大脑活动与各种计算设备进行互动。从最普通的文本处理,到对私密梦想的细致模拟,未来的日常生活将与我们已经习惯的生活非常不同。我们大脑会习惯于抓握虚拟的物体、启动程序、书写备忘录,尤其是与大脑网络中其他成员进行自由沟通。

英特尔、谷歌和微软已经创立了他们的BCI机构,这一事实说明这种想法并非遥不可及,其主要障碍在于开发非侵入性的方法,以获取BCI所需的高分辨率大脑活动。上文提到,这种方法已被贺斌团队发现。

BCI技术或许能实现“数字化永生”。我们作为凡人的个体,人生故事是一种无法估量的财富,遗憾的是这些财富仅能在大脑中存在很短暂的时间,随着生命的结束而消失,这是大自然的浪费。那么在将来,我们是否可以将其“下载”、“保存”起来?死亡不仅是一个生命终结的仪式,同时也是一个独特人类生命最后的奉献。这些生命的记录,包括活着、爱过、痛苦过、成功过的记录可以永生,而不是包裹在冰冷的墓碑中。

问:关于“BCI”技术,您还有什么希望和网友分享?

刘献增教授:人类大脑从身体中解放出来的最惊人结果可能是释放出许多很有影响力的偶然性,这些偶然性对未来人类的生活方向和速度产生决定性的影响。大脑从身体的限制与自身的脆弱性中解放出来后,它便可能获得进一步的奖赏,就是人类进化。

我们的身体无法进入细胞,也很难进入外太空,但我们的思想可以,那么我们利用BCI技术可以远程操作不同形状、大小的机器人和飞船,让它们代表我们去探索。我们后代子孙所创造的工具将继续将他们的大脑同化,进一步扩展自我,这一切将超出我们的想象。也许未来的人每天的经历、科学文化与我们现在完全不同。

有些人可能担心“脑联网”或“BCI”会带来可怕的后果。比如一个无所不能的超级天才黑客有朝一日会控制整个世界,或者更糟糕的是,某段代码的自我复制使得机器僭越人类,接管整个地球。可以说,如果有这种担心,那么他的“科学观”可能存在几个世纪之前,当时的科幻作品都是这个戏码。BCI要做的,恰恰是将大脑从身体中解放出来,实现人类更多的可能性。

网友提问:

1. 脑机接口技术能用来审罪犯,测出轨吗?

刘献增教授:早在上世纪80年代,科学家根据对受试者进行质询时被试植物神经活动所致的脑电、心电和皮肤生物电变化,可测定受试者的心理反应,即用于测谎。

2. 未来人们可以用脑电波直接沟通么?

刘献增教授:脑机接口顾名思义是人机对话,即通过接口实现人脑对物体的控制,当然通过对人类脑电活动进行解码,我们也可以了解人的思想和动机,实现人与人之间的交流。

3.脑机接口可以用来点外卖么,是不是一想就点上了?

刘献增教授:外卖无非就是选择菜单,并告诉外卖公司或餐馆您喜欢什么以及送餐地点,这个通过意念控制键盘是容易实现的。

4. 人要控物,要想灵敏,得对人的皮层进行处理,就会有创伤,如果通过传感器对电波的读取不够完全灵敏,不能完全体现人的意志,这个问题怎么办?如果对人的皮层神经元无创,就会影响效果,这事儿您怎么看?

刘献增教授:脑电信号是电场电位,其传导方式为球形传播,即在各个方向均能记录到不同部位的脑电活动。脑电活动按照频率总体分为慢波、快波和高频活动。通过提高头皮脑电记录放大器的输入阻抗和改进头皮脑电记录电极的结构,可以完全准确无误的记录到各种频率的脑电信号,不需要采用有创的脑电信号记录方式。

脑机接口基于人的脑电活动,如前所述,脑电信号性质上为电场电位,即神经元和神经胶质细胞形成的综合电位,不是单个神经元的细胞内外电位,所以记录脑电信号时不需要对皮层神经元造成损伤。

5. BCI是脑联网的第一步,如果真的成熟并应用后,脑联网、物联网、万物互联,那人就可以控制一切了,是不是太可怕了?是不是有伦理的问题

刘献增教授:脑机接口首先需要对人脑电信号的解码,然后再进行编码,并向其它物体发出指令,从而实现人机对话,其中的关键是指令接收和完成过程,因此我们可以对最后的过程进行控制,不至于引起恐慌或伦理问题。

6. 如果这个手术投入应用,会是一个很贵的价格吗?比如要上百万的价格?

刘献增教授:不会高达百万元

返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐