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2021-10-20 19:04
当下的脑机接口,技术难度与夸张程度比科幻还科幻

本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:张雨晨,编辑:韩越扬 酥鱼,原文标题:《大脑X电脑!人类对脑机接口的演绎,技术难度与夸张程度比科幻还科幻》,头图来自:视觉中国


随着“科技狂魔”马斯克的Neuralink 团队不断公布惊人的项目进展,公众对脑机接口(brain-computer interface, BCI)的热情再度高涨起来。这一游走在科幻与现实交界区的技术,承载了太多的期望和误解。在纷繁热烈的议论与科幻演绎中,它的真面目却被彻底神隐了。


然而,真正决定历史与命运的力量,永远是潜藏在表面话语之下的真实。


起始之源


要了解真正的脑机接口,就要先了解大脑。


我们的大脑,由大约860亿神经细胞组成。在这其中,大约有十分之一的细胞,是负责加工信息、承载思维活动的神经元(neuron)。这些造型“张牙舞爪”的神经细胞,会从胞体伸出细长的树突(信息输入)与轴突(信息输出),与其他神经元形成上百甚至上千个名为突触(synapse)的信息交流接点,在脑中搭建起一张超级神经网络。


当神经元从突触接受的兴奋性刺激积累到突破反应阈值的水平时,就会爆发出脉冲尖峰极其高耸的“动作电位(action potential)”,并沿着轴突飞速向下游传输,最终通过末梢的突触结构,将信息传递给其他神经元。有时候,一些神经元即便不接受外部输入,也会有自发的放电,持续对其他神经元施加调控信号。


对于单个神经元而言,这几乎就是它们仅有的信息加工能力。不过,正如单个的石头组合在一起就能建成壮美的殿堂一般,当这些神经元以庞大的规模构建起极为复杂的神经网络后,名为“知觉”甚至“意识”的奇妙存在,就会从认知功能的深渊中涌现而出


我们大脑中的神经细胞搭建了一张超级神经网络 | Pixabay


因此,如果能想办法读取这些神经元的电信号,那么我们就能在幽邃的“脑海”之中,窥探到“灵魂”潜龙的一鳞半爪。这门专注于通过解读神经元电信号来理解大脑功能的学科,便是神经电生理学(electrophysiology)


迄今为止,研究者获取高质量神经元电信号的主要手段,依然是将包有绝缘涂层的金属电极植入实验动物的大脑之中,用电极尖端暴露的金属位点记录临近的神经元活动。


随着电极制造工艺的成熟,在二十世纪60年代兴起的电生理研究热潮中,研究者们发现,很多神经元的活动状态与特定的感官刺激输入或者行为动作输出高度相关。比如说,在位于后脑勺的初级视觉皮层内,负责对双眼输入的视觉信息进行第一手加工的神经元,就往往只会对出现在视野中特定位置的特定视觉特征(比如角度或者颜色)起反应。在其他的感觉皮层与运动皮层中,研究者们也都观察到了类似的现象。


依靠这种输入/输出信息与神经元之间客观存在的投射对应关系,研究者们逐渐画出了大脑皮层详细的功能地形图。


这就是脑机接口技术的理论基础。


人机合一


随着电生理研究的狂飙突进,在上个世纪70年代,一向以“黑科技”著称的美国国防部先进研究项目局(DARPA)启动了一个项目,希望通过对脑电图(electroencephalogram, EEG)的信号分析,解读出人脑思维活动的特征性信号,并将其输出为控制电子设备的数字化指令,实现作战人员通过脑电信号直接操纵军用装备的“人机合一”设想。


脑机接口演示 | Flickr, Anders Sandberg / CC BY 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)


这个如今看来过于乐观的项目,便是脑机接口技术的起点。


从概念上看,脑机接口是一个通过电生理学技术采集神经元电信号、再经过计算机处理分析、最终向设备终端输出程序指令的系统。但相比于理想中的概念设计,在实际的科学探索和技术发展中,一个又一个具体的问题出现在了前进的道路上。


首先,需要想办法从脑子里尽可能多地采集神经信号作为原始数据。


仅凭单根金属电极,研究者在运气最好的情况下,也只能同时记录到屈指可数的几个神经元。于是,简单粗暴但有效的“排枪战术”便应运而生。通过将大量电极集成、并联为阵列甚至芯片,人类从技术层面大大增加了能同时记录的神经元数量。马斯克团队研发的新一代植入式神经芯片,已经可以在方寸之间集成布设上千个记录位点。而他们同步研发的柔性电极与酷似缝纫机的专用手术机器人,则可以将大量记录位点快速、精确、个性定制化地部署于大脑的各个区域。虽然相对大脑无比庞杂的神经网络来说,这些神经元的信号依然只是沧海一粟,但是对于脑机接口来说,却足已操纵一些设备了。


当然,若要获取这样近距离收录的“超清无损”神经元信号,就需要将电极长期埋置于大脑之中,和神经元保持物理层面的近距离接触。这种操作对于实验动物来说倒也罢了,但如果用在人类身上,就有着无法回避的手术与感染风险。因此,这种侵入式脑机接口目前只能用于改善个别重度瘫痪患者的生活状态,为这些身体活动不便的使用者释放出那只被潜水钟囚禁的蝴蝶。


侵入式脑机接口目前只能用于改善个别重度瘫痪患者的生活状态 | Pixabay


此外,尽管我们都想实现电影中随心所欲操纵机械的梦想,但科学技术的发展从来都没有捷径。目前的植入式脑机接口,在把电极阵列插到脑子里之后,还需要被试者与分析程序共同进行长期的学习训练,如此才能使大脑顺利输出极为有限的数字化指令,而且“带宽”极其有限,往往只是几个引导机械臂末端或者屏幕光标的坐标、角度信息,还有响应延迟与误码率的问题,与外人看来随心所欲、如臂使指的表现效果完全不同。


但即便有如此多的困难,脑机接口技术依然在不断推进。2021年5月,《自然》杂志上发表的一篇研究论文中,研究者就通过精确捕捉动作皮层神经元的信号,让植入电极阵列的被试者能以近乎常人的速度向计算机输入字母,并且有着99%的惊人准确率。


而相比于多少还可以想想办法的“输出指令”环节,如何向大脑有效地输入反馈信息,形成完整的信息流闭环,才是最令研究者与工程师们头疼的难题。在我们运动时,大脑时时刻刻都在根据各种反馈信息对动作进行调整。但时至今日,我们对大脑如何表征并认知输入的信息依然有太多不甚明了的地方,更不用说向大脑准确输入有意义的人工信号了。目前的侵入式脑机接口,主要依靠被试者的目视来调整移动的效果,远不足以支持基于闭环反馈的精细操作。


漫漫求索


相比于“电极入脑”的侵入式脑机接口,还有一类采用头皮电极的非侵入式脑机接口。


当年DARPA最早搞的那个脑机接口项目,就是基于脑电图的非侵入式脑机接口。这条技术路线最明显的好处,就是免去了手术的风险,可以无门槛普及到任何人身上。


但非侵入式脑机接口的缺点同样突出——如果说植入式电极是把话筒凑到神经元的嘴边,去分别录它们的个人发言,那么非侵入式脑机接口就是在大楼顶上支一个麦克风,然后隔着天花板去听底下人群的嗡嗡声响。因此,在取得记录技术的突破以前,非侵入式脑机接口都只能记录到神经元群体电位变化的总和,反映一些非常“大而化之”的大脑活动,前景同样受到很大的局限


现有的脑机接口技术和科幻故事里的描写还有天壤之别 | Flickr, Ars Electronica / CC BY-NC-ND 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)


可以说,不管是侵入式还是非侵入式,现有的脑机接口技术,都与科幻故事中的未来科技有着天壤之别。像科幻电影、动画和游戏的主角们那样借助脑机接口控制功能强大复杂的机械义体,在现实战场或者虚拟空间里完成各种超人之举,其实在背后涉及到对上万上亿神经元同步进行的实时监控,对目前的科技来说,是一个从理论到实践都完全无从设想的幻想。人类对脑机接口的科幻演绎,其技术难度与夸张程度,甚至可能不亚于可以跨越光年距离的恒星际宇宙飞船。


尽管现实中的脑机接口依然有着太多的困难要去克服,甚至可能最后被证明根本不是一条有前景的技术路线。但对于那些灵魂被自身肉体禁锢的患者来说,哪怕这一点点生活解放,都已是堪比天使降临的福音。


这才是包含脑机接口在内的一切科学技术的根本意义——“一切为了人”。


参考文献

[1]Collinger, JL., Brian, W., Dougla, JW. et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet 381, 557–564 (2012).

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[10]Wolpaw, JR., Birbaumer, N., Vaughan, TM. et al. Brain–computer interfaces for communication and control. Clinical Neurophysiology 113, 767–791 (2002).



本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:张雨晨

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