全球已经有10万“脑机接口”人?能变超人吗?(组图)

大鱼新闻 科技 2 months, 1 week

2014年6月12日,高位截瘫的少年Juliano Pinto踢出了第一脚球,宣告巴西世界杯正式开赛。



全世界的眼光集中到了他身上那套笨重的外骨骼装甲上。

这套装备来自“WalkAgain”项目,旨在用脑机接口+外骨骼,帮助更多残障人士重新站起来。所以严格来说,Juliano Pinto 这脚球不是踢的,而是用大脑想出来的。

然而尽管有世界杯的流量,WalkAgain项目还是不成功,即便是Juliano也需要三个人帮助,才勉强抬起腿,关键在于脑机接口技术还远未成熟。

八年来,尽管有钢铁侠马老师投资带风向,但脑机接口仍旧没有从幻想走进现实。

在此前我们发布的元宇宙系列内容中,不少读者坚持认为比起什么VR、AR、XR,脑机接口才是虚拟世界真正的大门。

那么什么叫脑机接口,现在发展到什么程度了?还要多久实现,实现后到底又能做什么?

今天我们就一起来聊一聊脑机接口技术的前世今生。

01

各类科幻作品中,脑机接口的设定简直是烂大街,一点都不新鲜。

经典的,比如《黑客帝国》《攻壳机动队》有脑后插管,《阿凡达》里是方舱模式,前者需要通过手术对人体进行一定程度的改造,被称作“侵入式”的脑机接口,后者则不需要,所以是“非侵入式”。



此外,广义的脑机接口还包括,赛博朋克题材中最常见的高科技义肢(倾向于叫做“义肢”),以及神经接驳让人类变成人形高达的动力装甲。在《战斗天使阿丽塔》里,人类可以只留下脑袋,其他都可以装义肢,实际就是脑机接口的应用。

这些都属于脑机接口的范畴,在现实中也都有对应的研究,而它们都根植于对大脑的理解。

早在二战前,科学家们就对人脑神经电信号进行了无创记录,第一次窥探到大脑内部的运作,脑电波广泛用于医疗诊断监测。

1973年,加州大学洛杉矶分校的雅克达维尔教授研究认为,可以让大脑(神经系统)与外部机器直接连接,让电脑电信号与大脑电信号相互转换,实现大脑和机器的信息交流,甚至伪造信息欺骗、蒙蔽人脑,“Brain-Computer Interfaces”脑机接口的概念就正式确定,成为了各国积极研究的方向。

1984年,科幻经典《神经漫游者》问世,讲述了黑客通过脑机接口在互联网世界大显神威的故事,把人们对这两项技术的期望和担忧拉到了极致,横扫“雨果”、“星云”、“菲利普·K·迪克”三大科幻桂冠。



然而,当互联网的发展超越了文艺想象时,脑机接口却还在原地踏步。

直到2000 年,《Nature》才报道了科学家用从猴子大脑皮层获取到了电信号远程控制千里之外机器人,人类第一次控制了大脑这个器官,脑机接口才真正从理论想象走进现实。(文章名“RealBrains for Real Robots”)

为啥搞了这么久还是停留在猴子阶段,最大的阻碍是,由于理论和哲学问题,大规模人体试验迟迟做不起来。

毕竟当大脑机制被干涉后,谁又能确定实验对象自己的意志能对试验后果负责呢?如果用电信号刺激一个重度抑郁者使之快乐,那这种快乐是真的快乐吗?

各种怀疑中,最著名的就是1981年哲学家希拉里·普特南关于“缸中之脑”的假想以及一个细思极恐的问题:

你怎么知道你的思维不是缸中之脑?

这就是《黑客帝国》的灵感源头。

正是由于这种伦理争议、道德担忧、心理障碍,各国法律严格限制脑机接口的人体试验,于是研究人员就转向了更加实用的残障康复治疗上。

02

在脑机接口技术之前,义肢主要在于美观和简单支撑,活动能力非常差,连简单的抓取都很难。很多人就希望用脑机接口帮助义肢成为身体一部分。

神经系统可以分成两大类,一类是大脑和脊髓构成的中枢神经系统,另一类是由脊髓蔓延到四肢和周身的周围神经系统,是中央和地方的关系,信息可以双向传递。

我们能产生五感,就是这两套系统神经元之间的递质传输产生微弱的生物电信号。如果能精准地捕捉并利用这些电信号,就可以解读复刻人类的感官、动作。

相比起争议太大的大脑干涉,关于周围神经系统的实践就简单多了。

周围神经系统里,许多功能相似的神经汇聚成神经束,比如控制手臂运动的神经束,经过大小臂、手掌、手指等部位后再分叉出更细的神经束来控制。

最粗的坐骨神经,直径一厘米,小的也有1—3毫米,不论是贴上电极,还是插入微型电极都不是问题。

有一家名叫Open Bionics的公司,就融合了3D打印技术和肌电检测技术,研发了一款小臂义肢,给皮肤贴上电极,检测肌肉神经细胞的微弱生物电,实现一定程度上自主切换手部姿势,还能摆出几种常用手势,完成一些日常活动。

更牛逼的是,腿部截肢的麻省理工大学教授的Hugh Herr通过电极植入手术将自己被截肢的肌肉神经与假腿链接起来,不但恢复了行走,还能精准感受到假腿的运动轨迹与位置变化,上楼梯动作非常接近原生肢体,甚至能感觉到不小心踩到的胶带。



赫尔用自己设计的假肢攀岩

这套系统中,电极的作用是检测大脑传给腿部的运动信号,控制义肢配合行动。

可以说,电极决定了脑机互动的质量、决定了“脑机接口”的带宽,如果想进一步提高灵活性,甚至模拟触觉,就需要更先进、更精准以及更安全的电极设备。

90年代,美国很多大学研究所都投入了微型电极的研究,其中犹他大学提出的一种微型阵列电极脱颖而出——名字就叫“犹他电极”。

这是一种用硅制作的二维电极阵列,通过机械切割+化学腐蚀,每根电极长度能做到1mm左右,间距在几百微米左右,记录点位于电极的尖端,可以深入大脑皮层。

由于阵列的规模最大可以达到100个,所以看起来就像个钉床,但尺寸大概是小拇指盖的一半大小,集成度很高。

这样的结构,保证了在尽量不损伤神经系统的同时尽可能多、还准确记录神经元的动作电位。

“犹他电极”是极少数被美国食品药品监督管理局(FDA)准许做人体试验的脑机接口电极,实际植入最长有效时间长达两年。



犹他大学的神经工程学教授Gregory Clark用“犹他电极”改进出一款能产生触觉的“卢克机械臂”,名字玩了一把星球大战的天行者·卢克机械臂的梗。



与普通义肢相比,卢克机械臂的指尖植入了压力传感器,把触感压力转换成电流,在再通过植入手臂神经中的犹他电极,更清晰地输入大脑。

经过训练,佩戴“卢克机械臂”的受试者可以熟练地完成摘葡萄这种需要控制力道的工作,甚至还能幸福地跟老伴儿牵个手,字面意义上感受了一把科技的温度!

受试者会表示在幻肢上产生的触摸物体感觉,歪打正着地缓解了幻肢痛。

这里解释下,幻肢指的是患者对由于各种原因而失去了四肢,但是患者仍然能够感知它们的存在。但这种感觉多以各种不同形式的痛觉体现,所以也叫幻肢痛。医学界也没搞清楚具体的原因。

03

对于一般的肢体残疾,可以通过断肢处的神经接驳来重获部分运动和感知能力,因为断肢接受的大脑信号肯定跟手或脚的动作有关,设定程序也容易。

但对于脊柱损伤高位截瘫的病人,就只能想办法直接提取大脑中的信息,再把它转换成机械设备的操控指令,来替代患者的身体。

这就需要利用“中枢神经系统”了,也就是直通大脑的狭义的脑机接口。

今天我们对于大脑认知,分为微观和宏观两个层面。

从微观细胞层面来看,大脑是一家公司,成百上千亿个细胞是员工。有的是后勤部门,比如各种胶质细胞,确保大脑能够正常地工作。有的是核心业务员,负责信息的接收、处理和分发,比如神经细胞决定了大脑工作的效率,越接近核心细胞,越能准确了解大脑的信号,所以需要不断研发新的电极,实现神经电信号准确检测,但又要避免被后勤部门的细胞给干扰排异。



从宏观来看,大脑又可以看做是一座复杂的城市,用灰质白质、不同的脑叶和功能区来划分,由相似但各具差异的员工组成。

灰质又叫是“大脑皮层”,是大脑表面1厘米厚度的区域,主要由神经细胞的胞体构成,它们像城市的功能性建筑,是大脑最活跃的区域,无数灵感创意在此诞生。

白质主要是由神经细胞的轴突构成,负责信息的传递,可以看做是城市的交通。

脑叶按照位置大致可以分为额叶、顶叶、枕叶、颞叶,对大脑进行区域划分。每个区域承担的功能不尽相同但又有所交叉,比如视觉功能主要位于枕叶、听觉功能主要位于颞叶,刺激相应位置就会大脑机会产生对应的反馈,从而实现不同功能的脑机连接。



脑机接口的主要作用就是用精准的电信号捕捉与反馈,在大脑的相应位置激发相应功能,信号越准确越多,大脑出现的意识也越清晰。

1929年,德国神经科医生奥特弗里德·福尔斯特(Otfrid Foerster)在患者的视觉皮层植入一根电极并注入电流,患者就会凭空看到一个亮点。

这种光点类似于你盯着台灯看一会,闭上眼,眼前还能有台灯的光斑,因为大脑对光刺激的电信号延迟了,专业名词是光幻视。

到了2021年,西班牙一所大学把一块犹他电极阵列植入失明很久的实验对象视觉皮层上,让实验对象“看到”一些光点。

如果刺激不同的电极,还可以感受到的光点位置也不太一样。

为了把光幻视与现实连接起来,研究者给患者订制了一副可以进行图像处理的眼镜,把强化后的图像信号转化成电极阵列的电信号,输出给实验对象大脑,然后实验对象的黑暗视野里就出现了一个10*10的分辨率的视觉区域,重见了一丝光明,甚至可以玩一些简单的迷宫游戏。



然而这个试验只是利用了视觉皮层的工作机制,没有去解读大脑的信息。

如果要真正解读大脑,就需要一种叫做“脑电波”的语言了。

脑电波上是大脑神经递质传递过程中生物电强度的综合体现,就好像城市里每时每刻出现的各种声音,可以说“信息量爆炸”。

脑电波发现者是汉斯·伯格,他本来想学天文学的,但因为一次车祸后与家人发生心灵感应,转而研究脑科学。

1924年,他成功地记录了并命名了第一个人类脑电图(EEG)。五年后,他发表了第一篇论文,展示了“从头部表面记录人脑电活动”的技术。

尽管由于非科班出身,汉斯·伯格当时受到了不少人的嘲讽,但却启发了一个全新的领域,那就是“脑电波”。

检测脑电图,最常见最安全的方式是戴上分布着电极的脑电帽,每个电极上涂上导电胶,接收附近大脑皮层的脑电波信号,在电脑里绘制成脑电波形图,来分析不同功能区的工作。



之前提到大脑皮层上有不同的功能区,就可以通过记录各种行为下,大脑各部分脑电波的活跃程度来判断。

根据波形的不同频率,科学家们还把脑电波分成了不同的节律类型——这里的频率并不是指相同波形的重复,只要经过一个波峰波谷就算一个周期。人处在不同的状态下,脑电波呈现的节律类型也不尽相同,解读过程有点像解读电报密文。

比如当我们闭目养神放空自己的时候,就会检测到7—12Hz的alpha波,它也可以用来检测我们是否处于放松状态,由汉斯·伯格发现,是人类最早读懂的脑电波。

在活动身体的时候,12—30Hz的Beta波会比较突出,而且在观察别人运动的时候,Beta波也会起作用,说明大脑中的“镜像神经元系统”在起作用。

40Hz左右的Gama波被认为和注意力集中有关系。



由于不同频段脑波的触发和消退,可能意味着大脑在进行这某些行为状态的切换,如果能捕捉操控到某个行为能触发相关区域的电位变化,我们不就可以对这类行为进行“意念控制”了嘛!

这就是脑电波控制领域最经典的“事件相关电位(ERP)”。

在这种控制方式中,应用最广泛的一种叫做“P300事件相关电位”。

P300是指在给予刺激后在300毫秒左右产生的一个波动明显的正电位(Positive 300mm)。



由于P300电位出现时往往是大脑受到了较小概率才发生的刺激,所以可以设置条件来故意诱发 比如最常见的是“怪球范式(Oddball)”。

这是一种认知心理学实验范式,之所以叫怪球,是因为实验是在一个序列的方块中,按15%概率偶尔出现一个圆球,这种概率下,圆球出现在整个方块序列的呈现中让人感觉到格外怪异,容易诱发P300波,因此才叫做怪球范式。

除了形状,这些刺激也可以是颜色,声音,闪光等等。

比如,给受试者看随机出示两种颜色的几何图形,蓝色概率85%,红色15%,每次蓝球中一旦出现罕见的红色图形时,受试者大脑更容易引起注意,就会检测到P300点位。

最早的意念打字就利用了怪球范式。

在一个6*6的棋盘格上写上26个英文字母和1—9的数字(最后一个格子为空),不同的行列随机闪烁若干次,每一行、每一列出现的概率大概都是1/6=16.67%,基本满足怪球范式的目标事件概率。

比如我要打出一个V,在第四行、第四列,我就会格外注意这个V。

轮到第四行闪烁时,我就会自然而然集中注意力,大脑就产生一个P300电位。

到了第四列闪烁到时候,又会产生一个P300。

根据两个P300电位出现的时间,确定闪烁的是哪一行哪一列,就可以确定交叉点的那个字符。

这套流程经过训练,打字是没问题的,就是麻烦点,而且就对脑电波信号监测准确度要求很高。

两种脑机流派中,非侵入式脑机测量的是整个大脑神经活动产生电信号的叠加,难以区分不同部位的信号,而且隔着头骨头皮,信噪比很差,只能实现一些较简单的功能,例如情绪检测,机械式的人机交互等。

而侵入式的电极放置在大脑皮层甚至更深层,获得更强烈、干扰更小的信号。



但侵入式的电极需要找到所需功能对应的脑区,切开头皮,在头骨上钻个洞露出,然后再把电极直挺挺地插进暴露出的大脑皮层。

即便大脑本身没有痛觉,这个操作还是让人“脑花”一紧。

不过对于一些高位截瘫的病人来说,如果能恢复一定的行动能力,开颅的代价也许并不算什么。

第一个在把电极植入大脑公司叫“ Cyberkinetics”。

他们也采用了“卢克机械臂”中配备的犹他电极阵列,研发了一款叫做“BrainGate”的脑机接口设备。

2004年,他们把BrainGate植入了四肢瘫痪的Matt的大脑中,然Matt可以用意念控制电脑上的鼠标移动,并打开邮件。

2012年,BrainGate已经能操控一台多关节的机械臂抓取桌上的饮料,让同样瘫痪的Cathy能通过自己的意念喝到饮料。



一名患者通过思维控制机械臂,拿起桌上的咖啡

虽然这个长方体的盒子插在脑袋上看着有点不舒服,还拖着一条长长的电线,但它却真的能让这些日常生活都难以做到的人重获笑容。

2020年,浙江大学也为一位高位截瘫的张老先生植入犹他电极,让他可以通过意念控制机械手臂,进而完成了吃油条和喝可乐的动作。



迄今人类已经有一定能力修复的感觉功能包括听觉、视觉和前庭感觉。

大家经常听到的人工耳蜗就是迄今为止最成功、临床应用最普及的脑机接口,全球佩戴人数已经超过了十万人。

除了帮助残障病人,脑机接口还能辅助治疗一些神经性疾病,比如癫痫、阿尔兹海默症、双相情感障碍等。

因为很多这类疾病的原因和大脑异常放电有很大关系,通过脑机接口,医生们就能够及时检测到异常,并反向输入一段正常的节律来覆盖它缓解病情。

04

虽然脑机接口前景广阔,但目前更多还出与临床研究阶段,无论是意念打字、移动光标、操控机械臂,速度都非常缓慢,精度也有待提升,除了植入密度更高的电极,也需要对大脑运作机制更加了解。

于是有两种可以进阶的路线了:

一个是继续提高非侵入式脑机接口的速度和精度,另一个就是侵入式的脑机接口更便利、更安全、更容易让人接受。

对于第一种方法,非侵入式虽然有着先天的劣势,但只要可供AI学习的脑电图样本足够多,还是可能接近侵入式的精度,而且非侵入式最大的优点就是简单方便,获取数据的难度很低。关于这方面的研究,国内外也都有很多,但受限于隔着脑壳,信号精度还是有限。

对于第二种方式,就得看科技公司们百花齐放了。

前段时间,钢铁侠马老师宣布上传了自己大脑备份到虚拟世界,又带火了脑机接口话题。



虽然上传意识这事儿大概率就是马斯克的口嗨,但他搞脑机接口的动作却是实打实的。

早在2016年,马斯克就成立了一家叫做Neuralink的公司,宣布自己进军脑机接口领域。2020年的技术展示中,马斯克发布了自家的N1无线脑机接口芯片,最多支持1024个微型电极,还牵出了几只植入了脑机接口的猪,通过植入的无线脑机接口,可以实时观测到脑电图的状态,而植入N1芯片的猴子甚至可以通过大脑直接玩雅达利游戏。

与N1芯片配套,neuralink研发一台用来快速植入的手术设备,类似“缝纫机”,做足了量产的架势。



Neuralink还开发了一种专用芯片(ASIC),可以把微型电极阵列从神经元获得的信息转换为可理解的二进制代码,从而理解大脑功能以及刺激这些神经元的能力。马斯克说自己已经上传了大脑,估计就是为这种芯片造势。

如果这些技术没放卫星,都能实打实落地商用的话,我觉得Neuralink和马老师还真是做了一件了不起的事情。

这些设备虽然没有进一步研究大脑的基础原理,但已经是前辈犹他电极阵列上的大跃进,光是N1芯片、手术设备和无线脑机接口就相当于拉低了脑机接口的应用门槛,毕竟在试验阶段,几乎所有的脑机接口不仅体积巨大,还要拖着一条电线。

如果N1芯片的植入手术真像马斯克说的那么容易,还是无线收发和充电,相信一定有人会跃跃欲试,成为第一批植入商用脑机接口的赛博人。

或许,比起正式普及脑机接口,把脑机接口“拉下神坛”,才是Neuralink最大的功劳。

马克斯一般不会去搞基础科学,而是让目前更偏实验性质的东西变为可实用的商品,最有代表性的就是SpaceX垂直起降的重型猎鹰火箭和龙飞船,然后就是已经发展了半个世纪的脑机接口。

但从最近的消息来看,Neuralink可能也在危险的边缘反复横跳。

当初创立Neuralink的七小强现在已经走的差不多了,公司的人才储备堪忧,还被曝出虐待实验猴子,领到一张黄牌警告。

更要命的是,Neuralink一直没有拿到美国药监局的人体实验资质,量产就完全没有可能。

反倒是其中一位创始人Max Hodak单飞后研发的脑机接口Synchron拿到了相关资质,Neuralink前进堪忧。

但Max Hodak的脑机接口被监管部门大方开绿灯,也不是技术多先进,而是因为很保守,不需要在脑袋上做手术,功能性还远不及N1,只有16个电极通道,能做到的事情真的太少了。



N1的电极倒是多,但也不能探测单个神经元电信号,而且没有人体实验,也不知道N1芯片能够给盲人创造一个分辨率怎样的光明存在。

当然,毕竟电极数量比犹他电极高出十倍,肯定视野不止10*10的分辨率,但离黑客帝国那种创建虚拟世界需要的视网膜级别显示差了N个量级。

这还只是视觉,如何在大脑中真正还原现实世界的听觉,甚至触觉味觉呢?无数问题摆在眼前,近十年甚至三十年恐怕是不能指望了。

其实,脑机接口发展至今仍然没有什么起色也实属正常,毕竟技术难度太大了!

脑科学、神经科学、认知科学、微电子学、材料学、机械工程、人工智能……这些学科本身还在探索中,把它们交叉结合到一起的脑机接口难度也是可想而知。

更重要的是,想要在人身上做效果更好但侵入更深的脑机接口实验不仅非常麻烦,还很危险,而且有保质期。

虽然把电极植入大脑不会疼也不会伤到神经,但毕竟损伤了脑组织,前面我们提到的“清洁工”——胶质细胞们可不管三七二十一,它们会附着损伤组织与电极间,逐渐降低导电性。

那个用犹他电极阵列恢复一点视觉的西班牙大学实验者,六个月后就因为电极附近出现瘢痕组织只能取掉。

理论上,脑机接口大概1—2年,就需要再做一遍开颅手术,重新更换,非常不人性化了。

哪怕Neuralink的新一代植入技术使用了柔性电极,一组96根4 至 6 微米“线”(thread)能够植入3072个微电极,对大脑更安全,还是要脑袋上开4个8mm的洞,这谁干啊!



有效电极数量随时间下降

植入的高门槛,也导致了现阶段脑机接口能够获得的精确实验数据非常少。没有足够多准确的数据作为训练的基准,再牛逼的人工智能也很难凭空训练出一套脑电波解码算法,这也是制约了脑机接口发展非常重要的原因。

技术先进的东西不敢放开,能放开的东西没啥用,这可能就是脑机接口最尴尬的地方吧。

或许可预见的近未来,对于健康的人而言,最好的脑机接口装置大概就是你现有的身体感受器官了,能爱惜就尽量爱惜吧。

尾声

对于脑机接口,与其和已经起步的VR争元宇宙入口,更重要的是给研究神秘的大脑以及人类自我意识的开了一个物理意义上的天窗。

比如,早期科学家们观察脑电图检测就发现,人在执行一个动作之前,会先产生一个念头,表现为行动前500ms就会产生一个微小的电压峰值,随着电荷的积累达到事件电压峰值,人才会做出动作。

这很有可能说明,人在产生某个念头的时候会在脑电图上体现为一个微小电压,即“准备电位”。

但一个叫做本杰明·李贝特的科学家觉得不对劲,产生一个念头到行动需要半秒钟这么长的时间吗?

于是他设计了一个实验,让受试者靠自己的主观意志来执行勾手指这个动作,一方面记录准备电位的产生时间,一方面记录受试者认为自己产生念头的时间。

结果发现受试者认为产生念头到实际勾手指只有大概150ms。

这下子科学界就慌了啊,既然产生念头到执行只需要非常短的时间,那半秒前的“准备电位”是个啥东西啊!

所以有这样一种假说:在我们决定做一件事之前,就已经有什么东西决定了“我们要做这件事的决定”。再细思极恐一点:

有什么东西决定了我们接下来要做什么,人类的自由意志可能根本不存在。

不过后来,也有科学家认为,“准备电位决定了我们要做什么”的因果推论从本质上就不成立。

还有人认为准备电位可能仅仅是大脑的噪音,就好比再平静的湖面也是有涟漪的,本杰明的实验可能只是在这种涟漪大到足够被观测之后的巧合罢了,甚至用增加对照组和人工智能分类的方式,判断证明了是150ms的点位决定了被试的行为变化,与此前半秒没关系,500ms一说是错的,彻底推翻了本杰明·李贝特。

不过科学的发展总是伴随着否定的,未来我们也许会发现亚伦和本杰明的假说都是错的,但通过脑机接口技术发展,自我、记忆、情感、认知这些更偏哲学的问题终有一天可以用算法与科学来解释。

到那时,人类或许才能创造出“缸中之脑”,或者在虚拟世界重建意识体,甚至要面临《黑客帝国》里那是残酷现实。



总体来说,脑机接口作为一项还处于实验中但在未来潜力无限的技术值得大力推动。如果真的有安全可靠、功能完善的脑机接口产品,我个人还是很愿意去尝试一下当个赛博人是什么感觉的。

或许在5—10年的时间里,脑机接口就战胜残疾和许多神经类疾病;在更遥远的未来,它甚至还能让人与机械和谐地融为一体,帮助人类探索大脑深层的秘密,在虚拟和现实世界实现人类的永生,甚至颠覆人类对于个体、种群的认知,实现真正意义上的超人剧变。

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