正确的提示信息

扫码打开虎嗅APP

从思考到创造
打开APP
搜索历史
删除
完成
全部删除
热搜词
2024-01-05 08:38

美国最新技术来了,专搞人的脑子

本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:东君,制图:果,编辑:果,题图来自:视觉中国

文章摘要
美国脑机接口公司Neuralink的PRIME项目已获得FDA批准进行人体临床研究。这项技术可以建立人与计算机之间快速的交流通道,通过读取神经活动产生的电磁信号实现意念控制。脑机接口的发展将帮助失能者重新获得常人能力,并有望带来视觉和听觉的主观体验。

• 💡 Neuralink的PRIME项目获得FDA批准进行人体临床研究

• 💡 脑机接口技术可以实现意念控制,建立人与计算机之间的快速交流通道

• 💡 脑机接口的发展将帮助失能者恢复常人能力,并有望实现视觉和听觉的主观体验

每一年,世界都在飞速变化。一大批新的科技已箭在弦上,比如我们耳熟能详的ChatGPT、文心一言、Midjourney,更新迭代的速度都远比我们人类要快得多,让打工人有种前有狼后有虎的感觉。


但还有一些速度更快的,就等着某一天突然出现超级产品震撼我们的三观,比如——脑机接口。


去年5月26日,埃隆·马斯克创立的脑机接口公司Neuralink宣布:旗下的PRIME项目——精确机器人植入脑机接口,已获得美国食品药物管理局(FDA)批准,将开始进行人体临床研究。


去年9月,Neuralink开始招募大脑植入试验的人员

(图:reuters)▼


Neuralink成立于2016年,用马斯克的原话说:“其目标是建立人与计算机之间快速的交流通道,尤其在人类输出信息方面,大大超越目前缓慢的鼠标键盘技术。”


此前,Neuralink已经完成了许多动物实验,例如通过植入大脑的芯片、让猴子可以用意念控制屏幕上的光标。


9岁的猕猴Pager通过植入大脑的Neuralink芯片玩视频游戏

(从下面的铁管可以喝到奖励的香蕉奶昔)(图:Neuralink)▼


通过一系列安全性的技术审核后,PRIME获得的人类实验许可,标志着这一研究向实际应用又迈出了重要的一步。


脑机接口是什么?


脑机接口(Brain-Machine Interface, BMI)是开发机器与神经系统进行直接信息交互的技术。这种直接信息交流绕开了任何所有运动和感觉器官,而且是相互的。


一方面,机器可以通过读取神经活动产生的电磁信号获取大脑的意图。例如:人们可以只凭脑中的意图,就控制手机和电脑、操纵机械臂、用扬声器说话,甚至建立人与计算机之间直接的思维连接……


科幻迷:这题我熟▼


另一方面,机器也可以通过对特定神经元集群的电刺激,向大脑输入信息。将图像、声音等转化为神经信号,直接输入大脑的相关皮层,就可以绕开眼睛、耳朵,带来视觉和听觉的主观体验。


这样的前景至少对各类残疾人士是莫大的福音,目前大部分脑机接口的研究,也都被限制在帮助失能者、神经疾病患者重新拥有类似常人的能力。


比如一种完全植入ALS患者的脑机接口患者们再也不用羡慕霍金的那台高科技轮椅了

(图:NEJM.org)▼


PRIME目前的主要方向正是如此,帮助瘫痪患者用意念操作电子设备,此外Neuralink也在进行帮助盲人恢复视力、帮助脊椎病患者获得重新控制身体能力的研究。


当然对于马斯克这样的人来说,这显然只是一些初步的目标,他对脑机接口的长远设想是建立人机之间的高效沟通渠道,消除二者之间的鸿沟。


脑机接口分为侵入式与非侵入式两种模式,马斯克的PRIME项目属于侵入式,其特点是需要在颅骨上开一个小孔,将芯片的电极插入大脑皮层特定区域,用以直接读取神经元产生的细胞外电信号。


不同的路径示意,最主要的区分就是需不需要开颅▼


PRIME的侵入式脑机接口示意

(图:Neuralink)▼


侵入式脑机接口的优势是可以获取高质量、高时空分辨率的神经信号,从而获得精细的大脑信息,但这种技术难度高、风险大,属于脑机接口领域最硬核的方向。


非侵入式脑机接口则不需要在颅骨开孔,而是通过脑电图、核磁共振等方式获取神经系统信息。这种技术风险低,但因为隔着颅骨,无法对特定的神经元集群进行“监听”,只能“听见”大范围脑区的宏观活动。这就从根本上决定了它能够获得的信息比较有限,一般只能解读大脑的整体状态,例如清醒程度、情绪等,很难精确地获得特定的意图、知觉等信息。


比起入侵式脑机接口这种“满脑电极”的非侵入式脑机接口似乎更常见

(图:cybathlon)▼


打个比方:非侵入式脑机接口就像在一座喧闹的球场上空,只能听见无意义的嘈杂声,或者大量观众一起喊的口号声;侵入式脑机接口,则可以让你选择球场中任意一个区域,听见其中每个人具体在说什么。


侵入式脑机接口无疑具有更广阔的技术前景,但目前大部分脑机接口的工业化尝试都是非侵入式的,这主要还是受技术水平、成本、风险所限。在侵入式脑机接口取得重要突破之前,非侵入式脑机接口依然会是市场主流。


比如目前已经开始产品化的智能人工假肢,只需采集一些皮肤上的肌电信号,通过AI的解析就可以精细地控制机械假肢。但严格意义上,这甚至不是“脑”机接口。


一种仿生上肢假肢的工作原理示意

整个假肢系统同时集成了触摸、动觉和运动意图▼


此外,还有一些所谓的“半侵入式”脑机接口,在手术难度上小于侵入式,信号质量自然还是不如侵入式。


在大脑中植入芯片


对于侵入式脑机接口这个最具挑战又最富前景的方向,PRIME是当前的领军者之一,它开创了大量的新技术,堪称一项多学科交叉的工程奇迹。


PRIME的植入物是一块硬币形状的芯片——N1。N1上带有64根导线,每根导线前端有16个电极,用以采集不同神经元的电信号。


显然,1024个电极(即使后续会大大增加)对于数以千亿计的大脑神经元,还是一个杯水车薪的数字。


幸运的是,许多大脑信息只在很小范围内的神经元中就可以获得。例如运动皮层某个区域的少数神经元,就可以表达将屏幕上的光标移往不同方向的意图。这就为初级“读心术”提供了可能。


PRIME首先通过功能核磁共振等方法,确定植入芯片的位置,这在不同个体间大致相似,但也存在一些偏差。


具体而言,需要将MRI和CT扫描对齐,在术中确定植入物在颅骨表面上的位置

(图:Neuralink)▼


位置确定后,切开头皮,用特制的开孔器,在颅骨上打开一个与芯片同样尺寸的圆孔,再剥离下面的硬脑膜,这时大脑皮层组织就露出来了。一台叫R1的手术机器人,会在光学系统的辅助下,将N1上的64根导线一一插入大脑皮层中。


N1的导线比发丝还细,同时插入过程还需避开人眼无法看见的毛细血管,此等精细的工作只有机器人才可以完成。


R1手术机器人

(图:Neuralink)▼


微小的导线尺寸,使得同样的空间可以插入更多导线,获取更多的神经元信号,也大幅减少了大脑皮层的损伤、免疫反应和疤痕组织。值得注意的是,这些都是此前侵入式脑机接口面临的难题。


R1用来插入导线的金属针也非常细,由激光研磨,只有10~12微米宽,相当于红细胞的尺寸,减少了插入过程对皮层组织的损伤。


金属针由Neuralink定制的飞秒激光磨机制造,不到一分钟的时间就能在针尖上塑造出几何形状

(图:Neuralink)▼


研究者事先划定好插入导线的区域,具体每根线的精确位置由R1自动判定,以避开微小的血管。


检查看看有没有都避开血管

(图:Neuralink)▼


每根导线上的电极可以检测到周围不远处神经元发放的动作电位,然后实时传输给N1。


导线的位置很大程度为随机,因为大脑神经结构异常复杂,个体间也存在差异。研究者只能确定一个尽可能小的区域,然后在其中随机采样。同时,有些导线也许根本无法采集到有用信息。


插入导线后的大脑皮层区域

(图:Neuralink)▼


导线的数量决定了所获得信息的丰富度,N1已经能在猴子大脑中获取在屏幕上移动光标的动作意图,Neuralink计划在下一代芯片上安装十倍以上的导线和电极,届时有望获取更丰富的信息。


R1的导线插入只需大约20分钟,此后N1将被放置在颅骨的圆孔中,与颅骨表面齐平,再缝合头皮,等头发重新长出以后,就看不出植入痕迹了。


N1植入后的横切面

(图:Neuralink)▼


N1的数据传输和充电过程都采用了无线方式,保证了使用者的行动自由。为确保长期安全工作,N1经过了大量专门设计和测试,包括抗冲击、防水、电池安全性、生物友好性、电路发热程度等,而且整个系统可以便利地进行升级。


以不同的距离和角度为N1无线充电的演示

(图:Neuralink)▼


PRIME团队还在不断改善各方面工作,例如在不切除硬脑膜(DURA)的情况下插入导线(让导线从脑膜中穿过),从而进一步减少对人体的损伤。


如何解码神经信号?


N1在汇集各个电极的信号后,通过蓝牙将它们实时发送到计算机等外部设备,再由那些设备上的软件对其进行解码,此时就进入了脑机接口的软件层面——解读神经元信号背后的含义。


Neuralink想象中把脑机接口技术运用到日常的场景,会有手机、基座等外部设备

(图:Neuralink)▼


需要注意的是,N1本身就会进行一些数据的本地预处理,以减少数据发送量。但考虑到N1的尺寸、电量和发热限制,大部分解码工作仍需在外部设备中进行。


解码软件的核心是一个人工神经网络,由于每个电极一开始采集的神经元信号,其意义很大程度是未知的。因此在手术完成后,需要对植入者进行一系列认知测试,用以训练人工神经网络,直到其可以将神经元的兴奋模式解码成准确的动作。


已经开发出的用户app,N1记录到的大脑信号将无线传输到此程序中进行解码

(练习用大脑控制移动鼠标光标的界面)(图:Neuralink)▼


一个很有趣的现象是,因为只有(人工)神经网络能够理解(自然)神经网络,所以即使训练完成后,人类可能也难以理解这个黑箱系统中的具体工作原理。


训练完成后,植入者的相关意图,就会被转换成光标的移动、文字、语音、机械臂的动作等等输出了。


从N1传输来的1024个通道的神经元活动输入人工神经网络(右侧)后,输出特定的动作意图

(图:Neuralink)▼


别看整个过程非常复杂,实际在理论上是非常迅速的,甚至比正常的大脑到肌肉的神经传导更快。植入者的动作发起速度,可能还会超过普通人。


另外还可以通过植入芯片向大脑皮层输入信号,模拟外界感官刺激,产生特定的知觉。


通过直接向大脑视觉皮层输送编码后的摄像机图像,让盲人重新获得视觉,这项研究已经在猴子实验中获得确定成果

(图:Neuralink)▼


目前而言,侵入式脑机接口最大的局限性,也许就是只能接触较小的脑区,读/写有限的信息。由于脑的信息加工和存储分布在整个脑组织各处,如果PRIME需要更广泛的信息,只能在颅骨上开更多孔洞,植入更多芯片,甚至将颅骨上部替换为某种蜂窝网格结构。


颅骨,这个保护了动物亿万年的球形容器,或将成为脑机接口的最大屏障。


不过,看起来Neuralink对其医生团队的开颅水平很有信心

(图:Neuralink)▼


除了Neuralink,近几年其他许多脑机接口团队也获得了重大突破。


2021年5月,斯坦福大学Willett团队解读了动作皮层关于笔画的编码,让瘫痪者可以通过在脑海中“写字”输出文字。


借助这套皮质内脑机接口系统,患者每分钟可打出90个字符,然后由系统自动识别生成字母

(图:HHMI)▼


2022年6月,约翰·霍普金斯大学团队通过植入芯片,让一位瘫痪者通过意念控制机械臂。


患者植入电极阵列后,经过几个月的练习就可以通过脑机接口自主进食了

(图:APL)▼


2023年8月,加州大学Chang团队将芯片植入瘫痪者Ann的语言皮层,通过解读数十个基本语音信息的神经编码,让患者可以通过在脑海中“默念”输出语句,速度最高达每分钟78个单词,已经接近日常交流水平。


植入大脑皮层的芯片让失语18年的Ann重新“开口说话”了

(图:Pete Bell)▼


还有相对悠久的脑深部电刺激(DBS)技术,目前也获得了更大的发展。通过在深层脑组织植入电极,用开关控制电刺激,可以缓和抑郁症、帕金森症等疾病的症状,目前国内外都已有大量的临床手术案例。


脑深部电刺激,俗称“脑起搏器“▼


目前的脑机接口研究,绝大多数旨在帮助失能者、神经疾病患者恢复常人生活状态,因而很少引起伦理问题。但脑机接口的技术本质,决定了它极易成为某种制造“超级人类”的技术(PS:这甚至就是马斯克等人对脑机接口的技术愿景)


一旦脑机接口技术让一部分人拥有了超过常人的能力,例如超强的记忆力、学习能力、反应力、感官知觉、输出效率等等,就会引发巨大的伦理问题。


首先,这无疑会带来巨大的不公平,进一步加剧社会分化,普通人类在经过机器强化的超级人类面前几乎会失去竞争力。


其次,与机器和网络的直接连接,可能对使用者产生重大的安全和隐私问题,甚至在一定程度上让使用者面临被控制的危险。


最后,脑机接口的发展、超级人类的出现,会逐渐模糊人机之间的界限,让人类的生存状态发生根本的改变。


《终结者》《黑客帝国》《机械公敌》等电影中的场景也许都会变为现实,意识上传、思维永生等科幻题材也可能实现。


这一切,或许将导致人类这一物种最终消失,“进化”成另外一种“智能体”。就像著名的硅谷作家、奇点理论提出者——库兹韦尔,在《灵魂机器的时代》一书中设想的那样:“届时,我们今天所钟爱的、拥有的一切,将发生翻天覆地的改变。”


也许,多数朋友都或多或少会对这一天感到惶恐。但如果它如蒸汽机和电力的普及一样无可避免,或许我们能做的就是做好自己,并时刻保持对最新事物的理解与学习的能力。


参考资料:

Musk E, Neuralink

An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels

J Med Internet Res 2019;21(10).

Pisarchik AN, Maksimenko VA, Hramov AE

From Novel Technology to Novel Applications: Comment on “An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels” by Elon Musk and Neuralink

J Med Internet Res 2019;21(10).

Willett FR, Avansino DT, Hochberg LR, Henderson JM, Shenoy KV (May 2021). "High-performance brain-to-text communication via handwriting". Nature.593 (7858): 249–254. 

Fiani B, Reardon T, Ayres B, et al. An examination of prospective uses and future directions of neuralink: the brain-machine interface[J]. Cureus, 2021, 13(3).

https://neuralink.com/

https://twitter.com/neuralink

https://www.youtube.com/@neuralink

https://en.wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface

https://changlab.ucsf.edu/


本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:东君,制图:果,校稿:通麦,编辑:果

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系 hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
打开虎嗅APP,查看全文
频道:

支持一下

赞赏

0人已赞赏

大 家 都 在 看

大 家 都 在 搜

好的内容,值得赞赏

您的赞赏金额会直接进入作者的虎嗅账号

    自定义
    支付: