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马斯克发布的“脑机接口”,真能改变人类命运吗?文章来源:科普中国 发布时间:2019-07-28

硅谷狂人马斯克推出了一套非常实用的脑机接口解决方案,可以将数千个探针植入大脑,实现脑电信息与机器的连接。

近期,马斯克联合创办的神经科技公司Neuralink发布了一项最新脑机接口(Brian-computer interface,简称BCI)装置,在科技领域掀起了一场风暴。对技术发展的兴奋、对伦理问题的担忧,各种评价扑面而来。“重新定义人类”、“让机器和人结合”,诸多充满科幻意味的字眼,令人对未来浮想联翩。

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马斯克在发布会现场,兴奋难掩;图片来源:量子位

那么回到现实中来,马斯克和他口中的脑机接口技术,真的具有改变人类命运的划时代意义吗?

首要问题:什么是脑机接口

我们已经知道,大脑中的神经信号很大一部分是靠神经元之间的电活动来传递的。这些电活动通过复杂的神经网络调控着我们的情绪、意识和行为。而脑机接口(BCI)能够使这些神经电信号直接与人工装置形成连接,让大脑和外部设备之间进行直接的信息传输。

脑机接口的工作过程包括:采集神经元信号,将原始神经元信号通过分析加工转化为计算机指令,以及用这些指令控制外部设备。

应用脑机接口技术,可以让截肢患者控制机械手臂端起一杯水,瘫痪病人不用动手就能驱动轮椅前进,人类仅靠“意念”就可以移动计算机光标,等等。

这样神奇的技术具体是怎么实现的呢?

大脑信号采集的方式来看,脑机接口一般分为非侵入(无创)和侵入式(有创)两类。

非侵入系统以脑电图(Electroencephalogram,简称EEG)为代表,通过分析EEG信号来生成指令,控制计算机光标或其他设备。该方法通过在头部可穿戴装置采集电信号,完全无创,但是空间分辨率不太理想,还容易受到各种噪声干扰。不过,它仍然凭借着安全性高、可移植性好、时间分辨率高、成本低等特点,成为近年来最为流行的BCI研究方法之一。

目前全球最受关注的脑机接口公司大都采用这种非侵入式技术,而且已经有实验室宣布,能够用EEG信号输入字母或者控制机械手臂。

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非侵入式脑电记录。图片来源:Pixabay

侵入式记录方式则需要将记录探针植入大脑,比如,突破颅骨和硬脑膜、将记录探针附着在脑皮层表面,获取皮层脑电图(Electrocorticography, ECoG);以及将探针插入脑组织、通过微电极阵列进行脑深部神经元信号的采集。前者可以从特定的皮质区域采集神经元活动信号,但仍然只能记录该区域内所有神经元的平均电活动。如果想要获得更精细的神经信号,比如单个神经元的动作电位,就需要微电极阵列了。

马斯克此次发布的脑机接口设备,正是在微电极阵列的基础上发展出的新技术。微电极阵列起源于近半个世纪前, 最初科学家只能靠它控制猴子部分皮层神经元的活动,但随着科学与技术的发展,2017 年科学家们已经可以在瘫痪病人的运动皮层埋置96通道的微丝电极,通过对该区域神经元活动的解码,控制电脑光标的移动。

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可植入脑内的传统微电极阵列(上)以及其应用(下);图片来源:Hochberg et al. Nature, 2006

尽管这种方法能取得更为精准的信号,但植入手术的创伤性较大,为了精准定位而采用的硬性电极丝也会对神经元和脑组织造成伤害,使得其效果随着时间的推移逐渐减弱。而且,这种方法一次只能记录数百个神经元,——要知道我们举起杯子喝一口水的简单动作,就需要数个脑区、亿万个神经元的参与。这显然无法满足目前脑机接口在实际应用中的需要。

马斯克的“壮举”:更少损伤、更高精度

以上问题早就摆上了科学家们的案头。2006年杜克大学神经科学家Nicolelis就提出,我们应该想办法 “从多个大脑区域获得大量(数百到数千)神经元的稳定、长期的记录(即多年的记录)。”

而此次马斯克和Neuralink公司公布的高通量侵入式脑电记录装置,正是针对目前侵入式脑机接口研究中的瓶颈问题,并提出了一整套非常有创造性而且实用的解决方案

Neuralink首先抛弃了会造成较大损伤的硬性电极,用多种具有生物相容性的薄膜材料制造神经探针,由于其柔软而被称为“线”。其生物相容性将减少传统电极埋置之后产生的异物反应,其柔性则有助于减少对脑组织的损伤。

在发布会上,Neuralink演示了96根聚合物线的快速植入:每根“线”包含32个电极,在大鼠大脑的(4×7)平方毫米区域内,一共可植入3072个电极,这达到了传统微电极阵列的数十倍。为了完成复杂的植入手术,Neuralink还开发了一台名为“缝纫机”的手术机器人,负责将这些头发丝般的柔性电极埋置到目标脑区;只要配合定制芯片,使用者就可以更好地读取和放大采集到的神经元信号。

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Neuralink展示的新型脑机接口效果图(耳后为外接口);来源:Neuralink

安娜堡密歇根大学的神经工程师辛西娅·切斯特克对《科学》表示,把数千个这样的电极放入大脑工作界面是一项令人兴奋的壮举。她说:“这是迄今为止使用神经标度探针的最大通道计数系统。”她还表示,Neuralink的一个迫在眉睫的问题是探针和处理芯片中的材料能抵抗降解多长时间,并能做出可靠的记录。“你需要让整个系统持续运行几十年,”她说,“我想他们下一个主要关注点就是这个。”

马斯克此次公布的成果可以被看做是脑信号采集方面的一项重要进展,这一技术使得多个脑区大量神经元的同步记录精度提高了一个数量级,后续能够获得的信号必然能够得到更好的分析效果,该技术毋庸置疑将推动BCI技术的进步。

改变人类命运:还有很长的路要走

脑机接口这一概念设计之初,是为了帮助全身瘫痪者,改善他们的生活。随着侵入式手术风险的降低以及非侵入技术的发展,脑机接口技术的适用范围逐渐扩大,甚至从医疗领域逐渐扩展到生活以及娱乐领域,不仅可以辅助残障人士操控机械手臂、控制家用电器、打字等等,还可以用于改善个体的认知功能、语言技能、情感和疼痛管理,甚至治疗精神疾病。很多游戏开发公司也对该技术表现出极大的兴趣。

不过,单从脑机接口的侵入性脑信号采集角度来看,马斯克的成果也未必是唯一的解决方案,目前也有多个研究团队在探讨植入电极的各种可能性。随着技术的发展,或许会有更多的新型、高效减少创伤的电极问世。

尽管脑机接口技术的应用前景令人兴奋,但它仍然面临很多问题,比如,如何将记录到的大规模神经元活动转化为高精度的指令信号,从而控制多个自由度的人工设备?如何让受试者从人工设备获取感觉信息,从而获得更好的使用体验?

最重要的是,伦理和安全问题不容忽视:它不但能修复残疾人的受损功能,也可以增强正常人的功能,甚至有可能改变一个人的个性;深入大脑的电极安全性也是后续研究中需要注意的问题。

尽管马斯克在Neuralink的发布会上表示,2020 上半年新设备就将开始人体临床试验,但这并不代表脑机接口已经成为了一个可以改变人类命运的成熟技术。很多研究仍停留在实验室和动物层面,即便将来更多的脑机接口设备开始进入临床,我们仍有很长的路要走。