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重磅!“脑机接口”江苏已经用上了

扬子晚报

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美国企业家埃隆·马斯克和他的“三只小猪”日前在线直播展示了小猪大脑被植入脑机接口设备的情况。

马斯克的脑机接口发布会,让读者对神经科学和认知科学充满了期待。这项技术的“神奇之处”到底在哪里?研发的过程中又有哪些技术难点?扬子晚报记者采访了多位相关专家进行解读。业内认为,脑机接口在一些关键技术方面仍有待突破,距离科幻作品中的“存储和提取记忆”“超级人类”依然十分遥远。

扬子晚报/紫牛新闻记者

什么是脑机接口

脑机接口,就是在大脑与外部设备间创建全新信息交换通路,一方面将大脑信号转化为机器可识别的信号,实现对机器的有效控制;另一方面,将外部设备信号转化为大脑可识别信号,从外部对大脑进行直接干预。

脑机接口两大路径

“侵入式”

将脑电波检测电极植入大脑 

优点:采集到的脑信号强且稳定

缺点:会对人体造成创伤

代表角色: 《黑客帝国》电影中,“矩阵”通过侵入式脑机接口和大脑神经连接

“非侵入式”

通过可穿戴的脑电波检测设备获取信号

优点:对人体无伤害

缺点:信号稳定性弱、速度慢、正确率低

代表角色: 在《X-men》中,X教授通过“脑波强化机”与他人连接。在《阿凡达》电影中,主角通过脑电图和肌电图控制纳威人的身体

此前,“神经连接”公司的规划是将脑接芯片置于耳朵后面,导线从中散出并连接到植入大脑的电极。在此次展示中,简化为一个直接植入大脑的芯片

当芯片植入猪脑

1.实时采集大脑信号

当植入了设备的小猪的口鼻碰触到物体时,脑机接口设备会获取神经元发射的信号,在显示屏上呈现点状图像并发出声音,这显示它的大脑信号可实时被采集。

2.植入物仅有硬币大小

马斯克介绍,这枚名为“Link”的设备约为硬币大小,由其旗下的脑机接口公司——“神经连接”公司开发,可通过蓝牙连接智能手机,电池续航时间为一整天,可在夜间充电。

3.植入过程仅需一小时

植入手术由一台专用机器人完成,全过程仅需一小时,并可“当天出院”。在演示现场,植入设备后又取出的小猪表现得非常健康,与普通小猪并无差异。

会不会进行 人体植入实验

马斯克表示,“神经连接”公司已于今年7月获得美国食品和药物管理局的“突破性设备”认定,目前正在筹备进行首次人体植入实验,但尚待获批以及通过进一步安全测试。

据介绍,该设备的首批人体临床试验将针对因颈脊髓损伤导致的截瘫或四肢瘫痪人群,计划招募少量此类群体来测试脑机接口设备的有效性和安全性。

马斯克认为,脑机接口技术可大幅提高人机交互速度,有望最终解决“人机共生”问题。

专家解读

脑机接口算不算新生事物?

早在20世纪70年代已经被提出

马斯克的芯片让很多拥趸欢呼“再次改变世界”,也有专业人士分析后指出“真的挺弱的”。东南大学附属中大医院神经外科主任成惠林教授对这个芯片给了一个很中肯的评价:它不是从无到有的创新,而是技术的改进。成惠林教授表示,首先,无论是已经应用还是正在探索中的“脑机接口”,以前都是有线的,而马斯克的这个芯片,做到了无线的读取;其次,他将芯片缩小到了很小的体积,仅硬币大小,完全放置到了体内——这些都给今后实际应用增加了想象的可能性。

南大生科院运动与行为神经生物学实验室张潇洋博士表示,脑机接口的“基本职能”是通过采集脑中代表人意图的神经电活动,并将其提取和翻译为外部设备的控制信号,在自身不运动的情况下,借助外部设备来实现自己意愿的表达。事实上,脑机接口并不是一项新生事物,它早在20世纪70年代就已经被提出。2014年6月12日于圣保罗举行的巴西足球世界杯开幕式上,就有一个对脑机接口技术演示的精彩场面:一名脊髓损伤的29岁巴西男子,在脑控外骨骼的帮助下做了一个简单的踢球动作,作为开球嘉宾完成了世界杯历史上独特的一次开球。

马斯克的芯片真能“读取”大脑?

好比在新街口听到长江里的汽笛声

但是即便是这样的进步,仍然还是有局限。成惠林教授分析,新的芯片将电极做成了密集排列的微针,那一小片“电极阵”,其实只能探索电极周边区域一小块脑部的电信号活动,并不是植入一块硬币大小的芯片就能“读取”整个大脑。

“以大家幻想的读心术为例,我们的大脑语言区在左脑,如果将这块硬币大小的芯片植入左脑语言的特定区域,那么我们思考、说话,它会有明显反应,但如果将它植入右脑,它能接收到的信息就极为微弱。”成惠林教授打了个比方,那感觉就像南京人呆在市中心新街口听到长江里航船的汽笛声,远、微弱且变形。现在植入这块硬币大小的芯片也要开颅,是个大动作,要实现全脑读取,远不是一块“硬币”可以解决的。

植入后,能不能将脑电波“翻译”到位?

从芯片读出的脑信息,可能和我们现在看太空差不多

读取是一回事,破译又是另一回事。多年来,如何减少脑机接口中采集芯片植入的手术创伤,以及精确解读所采集到的大脑语言,一直是制约脑机接口发展的技术瓶颈。

“我们看这硬币大小的芯片读取的信息,可能和我们现在看从宇宙中收集到的无线电信号一样,海量而没有规律,也破译不出来。”成惠林告诉记者。

张潇洋博士告诉记者,正确读取所采集到的大脑语言是更具挑战性的科学难题。虽然,科学家们已经在大脑基本运动功能控制的解码中取得了较大突破,然而大脑对于复杂、精细运动行为的编码,以及情绪、情感等脑的高级功能的编码还有待进一步解析。

“解码”脑部信号的过程是怎样实现的?南大脑科学研究院董昊教授介绍,大脑中同一类神经元的运动信号虽然“因人而异”,但有着共性的特征。比如兴奋或是平静,脑电波的轨迹都有着独有的“标记”,通过对这些轨迹的分析,可以“读懂”大脑“正在想什么”。

辅助“解码”的工具便是机器学习。董昊举例,美国杜克大学曾为一个瘫痪病人定制过一个个性化的脑机接口,通过读懂瘫痪病人的脑部信号,来实现坐起来、行走,甚至是先迈左腿还是右腿的细节动作。

“用一束光操控大脑”

光遗传技术已广泛应用于日常科研

神经生物学领域目前还有一项十分流行的技术——光遗传,可以通过光去遥控大脑。所谓的光遗传技术,是指将光敏蛋白通过遗传学的方法特异性的表达于特定脑区的一类神经元或神经纤维上,从而实现对特定脑区或神经环路的光激活/抑制。张潇洋介绍,在南京大学生科院运动与行为神经生物学实验室,光遗传已被广泛的应用于日常的科研工作中。。

张潇洋博士和同伴一道,展示了一只已在大脑中成功表达光敏蛋白,并埋入光纤的大鼠,“我们现在通过光激活这一脑区,观察光激活这一脑区对动物焦虑情绪的影响。”张潇洋展示了一个实验用的高架十字迷宫装置,迷宫由一对开臂和一对闭臂组成。记者注意到,工作人员在光刺激大鼠后,大鼠在高价十字迷宫闭臂中的时间显著增加,提示光激活的相关脑区与焦虑情绪的编码密切相关。

“128个电极的帽子”

通过血红蛋白的含氧量来判定脑部活动

在南京大学匡亚明学院,记者见到了“近红外光学脑成像系统”。除了显示器和相关的设备,一个连着128个电极的“帽子”十分引人瞩目。南大脑科学研究院董昊教授介绍,“帽子”上的128个电极,就是128个通道,它们可以读取大脑皮层不同位置的信号,通过对大脑皮层血红蛋白含氧量的高低对比,来判定脑部活动。

“测试的时候,我们会让被测试人参与某项实验,比如观看喜剧片或是恐怖片,大脑受到的刺激和反应是不一样的。”董昊表示,大脑是非常复杂的组织,“近红外光学脑成像系统”希望捕捉到大脑各处的各种各样的信号,从而得到相关功能的数据,开展进一步的研究。

国内研究

给大脑拍张“照片”

南京江北新区脑观象台引领产业发展

什么是脑成像?通俗来讲,就是通过特别的方式给大脑拍张“照片”。有了这张“照片”,医生可以了解神经元变化、探寻病因;药企可以有针对性地研发新药;脑科学方向科学家可以探寻更多关于大脑“运行”的奥秘。2018年,北京大学分子医学南京转化研究院落户南京江北新区,研究院在中国科学院院士、北京大学终身讲席教授程和平院士团队的科研成果的基础上,搭建以高通量脑成像和新药研发为主体的公共技术服务平台。

程和平的团队已研制出仅有2.2克重的微型化双光子荧光显微镜,这个仅有拇指大小的“头盔”穿戴在小动物头部,可以实时动态捕捉小鼠自由活动时的脑成像情况,甚至可以研究出鸟类如何学习唱歌的奥秘,能够看清楚小鸟在唱歌时神经元是怎么变化的。据了解,程和平团队的成果是全球首次实现了在动物自由行为条件下观测大脑神经元和突触的活动,将为研究人类大脑提供革命性的技术支持。

用意念吃油条喝可乐

国内首例植入式脑机接口临床研究有突破

1月16日,浙江大学对外宣布了“双脑计划”科研成果。“双脑计划”由浙江大学求是高等研究院“脑机接口”团队与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作,是双方完成的国内第一例植入式脑机接口临床研究。通过对一位高位截瘫志愿者脑内植入Utah阵列电极,这位72岁的患者成功用意念控制机械手臂的三维运动,完成吃油条、喝可乐和握手等一系列上肢重要功能运动。

临床应用

“脑机接口”四个字,听起来是十足的科幻味,但实际上,它在医学上早就已经有了应用,医疗界也一直有探索,只不过距离大家想象的“大脑增强”“记忆替换”“数字永生”等神话还远得很。

“脑机接口”早已来到我们身边?

的确,相关手术可治疗帕金森等疾病

“大家也许看过脑电图的检查,检查仪器像个帽子一样,一般是通过‘帽子’里128个电极片,从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录,来获得不同的波形图。”成惠林告诉记者,人在激动、困倦、睡眠等不同的状态,乃至癫痫等发病状态下,脑电图的波形会有很大的不同。脑电图的检查其实就是一种脑机接口的雏形,人类通过仪器“读取”电信号,进而“读取”了脑部的活动。

目前的医疗技术已经可以对脑部放电进行一定程度的干预。成惠林列举了目前已经在临床上应用很多年的“脑深部电刺激术”,也就是大家口中用于治疗帕金森的脑起搏器。这种手术是在患者脑内特定的神经核团里植入了电极,识别到异常放电信号后,脑起搏器会释放高频电刺激,抑制过度兴奋的神经元的电冲动,从而减轻帕金森病手抖、僵直、动作迟缓等症状。成惠林表示,这种“脑机接口”手术已经很成熟,临床上也已经被证明是有确切疗效的。

想多了,距离科幻成真还远得很

“缸中之脑”和“数字永生”会发生吗?

如果一个人被邪恶的科学家施行了手术,他的脑部被切下来,放进了营养液中,它的神经末梢被连接在计算机上,计算机按照程序向脑部传送信息,使他保持一切完全正常的幻觉……如果有“脑机接口”,你如何保证你是真实存在,而不是一只“缸中之脑”?这是著名的“缸中之脑”假想。

对此,成惠林表示,“我们现在对大脑的了解还很有限,能有的干预手段也是相对粗放的。人脑有80亿个脑细胞,要读取这些脑细胞的状态,相当于弄清楚现在地球上每个人都在想什么。”成惠林表示,由脑机接口想到“读心术”,想到“数字永生”,目前还是想太多了,大家不用害怕这项技术,科幻成真还远得很,“它离我们最近的应用还应该是在疾病的治疗上,通过抑制或者激活脑部一小部分区域,来让人体某些功能恢复正常。比如治疗癫痫、帕金森病,或让瘫痪的患者重新建立自主活动的可能,这还是可以期待的。”

安全风险

“以后,只要有厉害的黑客就会读取大脑记忆获取信息,或是可以篡改记忆吗?”一些网友表示担心。

扬子晚报记者从360方面获悉,与马斯克同为技术派出身的360集团董事长兼CEO周鸿祎公开表示,马斯克这项技术相当于打开了“潘多拉魔盒”。在他看来,人类应该严格限制脑机接口的使用范围。“如果未来的人类被强制安装脑机接口,不愿安装的就是异类,而你一旦接入脑机接口,你的脑机接口就要永远在线,不能离线,一旦没有信号,或者公司不对你提供服务了,你想这会是一个什么样的世界呢?”周鸿祎表示,一旦人脑开始联网,大脑数据的安全就将成为一个新的命题。此外,也有很多人担心,电极植入、信号输入或输出的过程,都有可能造成脑部伤害。

伦理争议

“这,会不会被监控思想啊?”芯片植入的伦理问题,也是学界保持观望态度的焦点之一。在医院里,神经外科的医生会通过在患者脑中植入电极,以“深部脑刺激”的方式来治疗帕金森病、抑郁症、强迫症等神经精神疾病,有不错的疗效。但若是一个健康的人,想要通过脑机接口的方式提高大脑能力,此时的伦理问题就尤为凸显。因此,在有创手术的情况下,脑机接口的商业化推广仍要接受伦理的拷问。

更多技术难点

◎需要基础科学进展。人类对于大脑的了解还远远不够,尽管了解不同的脑电波大致有一个代表的方向,但“读懂”脑信号很难。 

◎需要关键技术突破。业界认为,脑机接口主要技术瓶颈包括传感精度低、集成计算效率差、编解码能力弱、互适应手段少等。  

◎需要更多实验和数据。目前全球能做临床试验的机构更是屈指可数。

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