赫拉利在《未来简史》中提出了关于人类的新议题,他认为神经网络将由智能软件取代,人类将能够同时畅游虚拟与真实世界,不受有机化学的限制。所谓的“自由个人”也将成为一个虚构的故事,转而变为生化算法的组合。
关于“人机”的预言是否会成真不得而知,但今年7月,一则Neuralink的“脑机接口”(BCI)技术获重大突破、设备获得FDA“突破性设备计划”许可的消息,却又像一则布告,宣示着“人机”结合已成为现实的事实。
“脑机接口”并不是一个新兴议题,无论是《黑镜》还是《黑客帝国》都曾从“反乌托邦”的视角讨论过“脑机”存在的未来意义。但现实并未沿科幻电影所描绘的路径发展,大多数BCI技术最初其实是作为医疗应用而被开发。
“脑机接口”的前世今生
早在20世纪70年代,Jacques Vidal便提出了脑机接口概念,并将BCI研究与开发的重点放在辅助患者恢复受损视力、听力及运动的神经修复之上。随着技术的进展,第一批人类用神经修复设备在90年代中期出现。
1998年,菲利普·肯尼迪首次将电极植入到人脑中,并成功赋予该患者用“脑电”控制电脑光标的能力。一年后,第一次BCI国际会议给出了BCI的明晰定义:“脑机接口是一种不依赖于由正常外围神经和肌肉组成的输出通路型通讯系统。”BCI因此被推上前台,而其不依赖外围神经与肌肉的参与便能实现大脑与计算机之间的通讯,则凸显出了该技术在辅助治疗脑中风、癫痫等失能患者上的价值。
在技术的发展与市场需求的逐步扩大下,BCI技术由最初仅为完全没有活动能力的患者提供辅助治疗,拓展到拼写、控制指针运动应用。不仅如此,具有控制神经假体功能的各种脑机接口系统、信号处理技术亦在此基础上开始发展。
2014年巴西世界杯开幕式,高位截瘫青年Juliano Pinto在脑机接口与人工外骨骼技术的帮助下开出一球;2016年,Nathan Copeland用意念控制机械手臂和美国总统奥巴马握手;2017年,Facebook宣布“意念打字”项目;2020年Neuralink宣布推出“the link v 0．9版”……脑机接口在发展过程中走过的每一步,似乎都让其落地应用的可能性变得清晰可循,但要想真正实现脑机接口的应用其实仍有一段路要走。
理想中的脑机接口不仅可以帮助研究人员采集神经元信号,还能将特定的指令进行编码,通过脑机接口传达给其他部位,辅助大脑完成信号传出。但要实现这一过程,至少需要完成4个过程:采集信号——信号解码——再编码——反馈。
这四个过程看似简单,实则难如登天,仅是第一个“采集信号”的过程,就卡死了大批想要从BCI中掘金的探索者。毕竟人类脑部不仅有近千亿神经元细胞,从头部最外层到颅骨中间还隔了19层。而颅骨与大脑之间,又隔着硬脑膜、蛛网膜、蛛网膜小梁等组织,想要排除这之中的诸多阻力,实现精准地搜集信号可以说仍存在许多难点。
我们在为脑机接口前进的每一步而狂欢,但也需理性。毕竟人类大脑就像一片神秘的黑森林,不仅在“采集信号”外还存在诸多需要解决的难题,稍出差错亦容易导致患者瘫痪、脑死亡等。而相较于人体其他组织,人类大脑亦拥有更为精妙的结构,要想破解人类大脑的“秘密”或许还需要时间。
“安装在脑中的 Fitbit手环”
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Neuralink:进军脑机接口领域
脑机接口再度掀起波澜,离不开一个月前Neuralink的发布会。
在发布会上,马斯克将BCI与精神疾病关系在一起。他在演讲中提到,很多人这辈子可能会在不同阶段遇到各类神经性的问题,比如失忆、失明、失聪、瘫痪、抑郁、失眠、上瘾、癫痫、中风、脑外伤等。Neuralink的价值就在于通过植入电子设备到脑部的方式,为这些令人困扰的问题提供一个负担得起且可靠的解决方案,目前该方法已经被医学证明可行。
总的来说,Neuralink想做的就是研发出一个足够强大的脑机接口,以治愈人类的脑部疾病,并赋予更强大的功能。
在发布会上,马斯克介绍了两个设备。一个是尺寸仅23mm×8mm,支持 1024 个信道,可接收、解码、发送脑神经活动信息的芯片。另一个是能够对大脑结构进行扫描,避开血管及危险区域,在降低植入过程对软组织伤害的同时,将芯片精准地植入预定位置的新型手术机器人。相较于成立之初,Neralink在脑机接口的研发上,似乎又朝前迈进了一步。
从马斯克的逻辑来看,理想中的脑机接口不仅可以帮助研究人员采集神经元信号,还能将特定的指令进行编码,通过脑机接口传达给其他部位,辅助大脑完成信号传出。这也是Neuralink的BCI由“缝纫机”发展成今天的“侵入式硬币”的重要原因之一——只有将电极网络靠神经元足够近,我们才可能获得足够高分辨率的信号。
在马斯克发布的小猪视频之中,工作人员实时读取并在大屏幕上同步展示了小猪B的脑电波。
装在小猪A脑袋里的Neuralink正在读取与它鼻子相关的神经上的电流,每当它鼻子碰到什么,都会有一个脑电波的高峰。在第二只跑步机上的小猪视频中,Neuralink通过脑电波对其运动轨迹进行了预测。图表显示,预测的运动轨迹和真实的运动轨迹基本吻合。
Neuralink通过对小猪脑电波信号进行采集,预测其动作姿态
能够一定程度上预测小猪的动作姿态,意味着Neuralink采集的信号一经达到相当高的精度。不过,尽管Neuralink在信号采集方面获得了重大突破,但在BCI实现的第二个阶段——信号解码阶段,却没有看到太大突破。
“这次发布会让人失望的是神经信号解码方面没有任何进步,只是简单演示了小猪四肢运动和脑内神经放电的关系,离植入脑机接口与手机通信还有很长的路要走”,清华大学脑机接口专家洪波教授对此表示:“目前,运动信息脑机接口解码的研究已经很成熟,美国布朗大学、斯坦福大学等在猴子和人的大脑上已经多次成功演示,不过,美国FDA过去批准Cyberkinetics和BlackRock等公司开展过小规模人体临床试验,但都没有取得预期效果。”
那么,如果马斯克能在接下来的工作中完成解码问题,那么再编码的过程可能没那么困难。不过,反馈过程仍可能成为另一座难以逾越的大山。
反馈环节需要利用BCI获得环境反馈信息后再作用于大脑。通常而言,我们依赖视觉、听觉、触觉、听觉获取环境信息,进而实时向大脑传递。不过,就算是当前大热且已广泛应用于生活的计算机视觉技术,也大都停留在二维影像处理,三维影像数据量大、难以编码等问题,都成为反馈过程中的巨大障碍。
尽管Neuralink在发布会引起了行业对于BCI技术的关注,但Neuralink在神经信号解码方面并未展示出明显进步,距离成熟的脑机接口技术兴许还有很长的路要走。
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BrainGate:以意识控制机械臂
在脑机接口领域具有突出表现的另一企业BrainGate成立于2001年。其研究团队主要由来自哈佛医学院、布朗大学、克利夫兰医疗中心、斯坦福大学医学院等的神经科医生、神经科学家、工程师、计算机科学家、神经外科医师、数学家和其他研究人员组成。
在BCI技术研发上,BrainGate以辅助治疗神经系统疾病、沟通障碍、行动能力不健全等疾病为主,通过将传感器植入瘫痪病人脑中以监测他们的脑活动,并将患者的意识转化为对电脑的指令,以提高患者对计算机的操作能力,让患有肌萎缩侧索硬化、脊髓损伤和中风患者能够再度拥有对生活的控制权。
在现阶段研究中,BrainGate正在开发新一代无线医学神经技术,记录和监测神经活动,以诊断和管理神经系统疾病。
脑疾病治愈,中国在路上
尽管我们总是在新闻中垂涎海外的新兴BCI技术,但BCI的学术研究在国内同样拥有长足的发展。
洪波教授告诉动脉网:“目前浙江大学与清华大学在主要从事BCI相关研究。浙江大学采用了马斯克提到的美国Utah电极阵列,已经在猴子和病人大脑皮层植入该电极阵列,成功实现了对机械手的脑机接口控制;清华大学则是和301医院、宣武医院合作在癫痫病人上开展的微创植入脑机接口研究采用不同的方案,记录电极埋在颅骨中,不穿透硬膜,因而不破坏神经细胞,可以长期稳定采集颅内脑电,已经实现了脑机接口打字等。需要说明的是,这两个研究组都还还在临床前试验阶段,没有获得医疗器械许可。”
不同于马斯克在BCI领域所绘下的伟大蓝图,国内的脑研究更为关注脑疾病的诊断治疗与脑启发的人工智能。目前,中国在科学界形成了“一体两翼”脑计划研究方向的基础共识。
“一体”即“认知脑”,关注和理解人类大脑的认知功能是怎么来的。核心是认知脑区结构和功能神经网络的实质,尝试阐明大脑的工作原理。
中国脑计划的领军者和倡导者蒲慕明院士介绍:“我们看到计算机,要分析它的功能就必须知道计算机的结构,对于大脑的功能,我们必须要知道大脑的网络结构,这叫做‘全脑介观神经联接图谱’,也是我们这个大计划的关键部分”。
“两翼”则指向“保护脑”和“创造脑”两大主攻方向。
其中,“保护脑”主要是更好地诊断和治疗各类重大脑疾病,包括阿尔茨海默症、癫痫、帕金森、抑郁症等疾病,在神经系统疾病这条赛道上,将有机会诞生千亿级独角兽企业。
“创造脑”主要实现类脑人工智能的研究与开发,核心战略目标是开发仿脑计算机,将由两部分组成:一是发展脑型器件和结构;二是脑型信息产生和处理系统的设计和开发。
中国脑计划的巨大价值在于其在未来五到十年的持续实施,会全力推动人工智能与脑科学的深度融合发展,其研究成果,将会极大的促进类脑人工智能技术的发展,这一领域的研究突破,将引领新一轮的科技革命。
基于这项计划,我国正全力发展阿尔茨海默、帕金森、癫痫、精神分裂、抑郁症等社会重大负担疾病的治疗。如今,这一方向的研究已经有了极大进展。同时,利用人口上的优势,我们将随着时间推移获得更多的脑部疾病大数据,进而找到治愈脑部疾病的更多方法。
稳步,商业BCI曙光已现
伴随政策的推动与技术的发展,过去十年内我国在脑科学领域亦已产生一定成果,并延伸到了神经疾病、精神疾病、康复等领域。
国内首个将脑机接口产业化的公司博睿康科技就是脑机领域的代表企业,依托清华大学神经工程实验室,其主要涉足神经科学、心理学、神经工程等领域的研究。
在神经系统疾病诊断应用中,博睿康产品包括脑电与诱发电位仪(脑功能监护仪)、高频高导联脑电采集系统,前者主要用于癫痫、脑出血等神经疾病的诊断监护,后者多用于神经外科手术辅助定位。在治疗方面的产品,博睿康主要聚焦微创植入反馈治疗和脑机智能主动康复。微创植入反馈治疗是针对癫痫、老年痴呆等神经疾病的治疗。
在今年的世界机器人大会“BCI脑控机器人大赛暨第三届中国脑机接口比赛”中,博睿康为大赛提供脑机接口信号采集设备和数据分析平台。来自天津大学的魏斯文以每分钟在电脑屏幕输出691．55比特(相当于每分钟输出69个汉字)的成绩,创造了中国利用脑机接口技术打字的新纪录。
国内除博睿康以外,妞诺科技、臻泰智能等企业也在BCI领域取得了突破。妞诺科技在产品线方面围绕医疗脑电数据服务进行了以AI算法为核心基础融合软硬件双向开发模式。臻泰智能则提供脑控智能康复解决方案,以辅助神经性疾病康复,并计划将解决方案拓展至物理治疗、作业治疗等康复训练全场景,通过全周期的脑电数据采集评估,为患者精准化定制康复治疗方案,目前公司累积试用患者已达一千多例。
难题,破解之道
从BCI目前的研发速度来看,如何骗取免疫细胞信任,不让其自动识别侵入物并形成疤痕组织;面对千亿神经元,少量电极如何实行精确监测等仍是未解难题。
但一步接着一步,深积疾病数据库,以应对脑疾病,推动BCI技术的进一步发展才是切实的可行之道。
在《未来简史》中,赫拉利还曾提到过:“我们无法真正预测未来,因为科技并不会带来确定的结果。同样的科技,也可能创造出非常不一样的社会。”
医疗领域终究是严肃的。
在政策和资本的推动下,若能持续研发脑机接口技术,找寻技术突破口,或许当前进展缓慢,但我们仍相信该项技术将为脑疾病治疗带来微光。
作者:张彩妮
