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“重點(diǎn)在于如何形成一個(gè)“closed-loop”（閉環(huán)），這也是大家一直在做的，但是現(xiàn)在無(wú)論是神經(jīng)假肢還是機(jī)器人，打造一個(gè) closed-loop 的前提是具備 sensor（傳感器）和 stimulator (刺激器) 以及 motor（運(yùn)動(dòng)元件），實(shí)現(xiàn)感知能力輸入和運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸出同時(shí)兼?zhèn)洌@一過(guò)程十分復(fù)雜，仍有很多問(wèn)題需要解決。” 美國(guó)斯坦福大學(xué)博士后李金星，目前的主要研究方向?yàn)槲⒓{機(jī)器人和柔性電子器件。通過(guò)對(duì)神經(jīng)假肢的研究，李博士“基于自己有限的理解”，從科技難題、發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)預(yù)判三個(gè)角度，向生輝揭示了一個(gè)屬于腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)展的真實(shí)世界。 “對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，每一個(gè)具體的功能的實(shí)現(xiàn)都有正在面臨的挑戰(zhàn)，但通常來(lái)講，挑戰(zhàn)最大的工作還是如何用不需要做手術(shù)的、非侵入式植入裝備去讀取準(zhǔn)確的大腦內(nèi)的信號(hào)，又怎樣把信號(hào)精確的傳送到腦內(nèi)。”李博士認(rèn)為。“畢竟沒(méi)有人愿意輕易去做一次'開(kāi)顱’手術(shù)。” 談到相關(guān)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，李博士也給出了自己的判斷，“非侵入式設(shè)備的設(shè)備若想達(dá)到侵入式設(shè)備的水平，等可能需要十年左右的發(fā)展時(shí)間，而這也只能讀出人腦的部分腦活動(dòng)，若想收集且讀出全部的信號(hào)，可能需要 20 年的時(shí)間甚至更久，當(dāng)然，類(lèi)似例如植入型視網(wǎng)膜等無(wú)需開(kāi)顱手術(shù)、對(duì)特定部位能起到功能性調(diào)節(jié)的設(shè)備，在未來(lái)五年之內(nèi)可能都會(huì)有比較大的進(jìn)展。”李博士談到。 “但大前提是，目前仍然沒(méi)有一種革命性技術(shù)出現(xiàn)，即使是 Elon Musk，也沒(méi)能翻越腦機(jī)接口技術(shù)難題的'珠穆朗瑪峰’。” 李金星博士也是《麻省理工科技評(píng)論》第 19 屆 35 Innovators Under 35，即 2019 年度全球 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 中 8 位入選華人之一。 前景巨大，技術(shù)挑戰(zhàn)仍存 “一個(gè)人被科學(xué)家施行了手術(shù)，他的腦被從身體上切了下來(lái)，放進(jìn)一個(gè)盛有維持腦存活營(yíng)養(yǎng)液的缸中。腦的神經(jīng)末梢連接在計(jì)算機(jī)上，這臺(tái)計(jì)算機(jī)按照程序向腦傳送信息，以使他保持一切完全正常的幻覺(jué)。對(duì)于他來(lái)說(shuō)，似乎人、物體、天空還都存在，自身的運(yùn)動(dòng)、身體感覺(jué)都可以輸入。這個(gè)腦還可以被輸入或截取記憶（截取掉大腦手術(shù)的記憶，然后輸入他可能經(jīng)歷的各種環(huán)境、日常生活）。他甚至可以被輸入代碼，'感覺(jué)’到他自己正在這里閱讀一段有趣而荒唐的文字。” ——“Brain in a vat（缸中之腦）”，Hilary Putnam，《理性，真理與歷史》（Reason、Truth、and History） 哲學(xué)家提出 “缸中之腦” 的思想實(shí)驗(yàn)探究人的終極問(wèn)題，在如好萊塢大片的大眾媒介中類(lèi)似的場(chǎng)景也反復(fù)出現(xiàn)。在電影《源代碼》中，男主的大腦皮層植入了刺激裝置，在信號(hào)模擬構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，一次次的進(jìn)行找出火車(chē)炸彈怪客的任務(wù)。 圖丨電影《源代碼》劇照（來(lái)源：IMDB） 科幻作品中 “黑科技 ” 在現(xiàn)實(shí)中也有屬于自己的名字——腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）。腦機(jī)接口通過(guò)解碼人類(lèi)思維活動(dòng)過(guò)程中的腦神經(jīng)活動(dòng)信息，構(gòu)建大腦與外部世界的直接信息傳輸通路，在神經(jīng)假體、神經(jīng)反饋訓(xùn)練、腦狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 早在個(gè)人電腦都還沒(méi)誕生的 1969 年，華盛頓大學(xué)的一位神經(jīng)科學(xué)家就已經(jīng)成功的將獼猴的大腦與機(jī)械相連，讓獼猴能夠通過(guò)特定的大腦活動(dòng)直接打開(kāi)倉(cāng)庫(kù)的大門(mén)，獲取到自己想要的食物。 在那之后，腦機(jī)接口研究匯集了全世界工程學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)界最杰出的科學(xué)家。近 50 年后的 2017 年，特斯拉的創(chuàng)始人 Elon Musk（埃隆 · 馬斯克）公開(kāi)表示，自己名下的 Neuralink 公司將會(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的商業(yè)應(yīng)用。 在過(guò)去的十年里，人類(lèi)對(duì)兼具復(fù)雜性、先進(jìn)性的算法及系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使得開(kāi)發(fā)真正的腦機(jī)器接口成為可能，而對(duì)檢測(cè)大腦信號(hào)方法的改進(jìn)正在創(chuàng)造更高質(zhì)量、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的支持下，更先進(jìn)的分析處理能力將有助于更好地解釋信號(hào)，同時(shí)，其他技術(shù)的改進(jìn)使大腦數(shù)據(jù)能夠更精確地轉(zhuǎn)換為動(dòng)作。這讓腦機(jī)接口在幾個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生影響，包括與人類(lèi)健康息息相關(guān)，用來(lái)恢復(fù)聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)的神經(jīng)假肢等。 麥肯錫《The Bio Revolution Report》研究顯示，在接下來(lái)的 10 到 20 年中，腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)每年直接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)規(guī)模可達(dá) 700~2000 億美元。 神經(jīng)功能修復(fù)將人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，從而通過(guò)提供對(duì)假肢的控制，以恢復(fù)失去的感覺(jué)功能。其中，耳蝸聽(tīng)覺(jué)植入設(shè)備的發(fā)展較為成熟，自 20 世紀(jì) 80 年代后期以來(lái)就已被使用。同時(shí)上述技術(shù)也處于不斷改進(jìn)的過(guò)程中，包括更復(fù)雜的聽(tīng)覺(jué)信號(hào)處理分析以提高對(duì)聲音和語(yǔ)言的識(shí)別能力等。 在過(guò)去的 20 年里，仿生視覺(jué)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。例如，SecondSight 公司開(kāi)發(fā)了一種名為 Argus II 的視網(wǎng)膜植入物，該植入物已經(jīng)恢復(fù)了患者的感知功能，包括辨別形狀、感知光線(xiàn)，在某些情況下，患者甚至可以獲得閱讀書(shū)籍等印刷品的能力。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得歐盟和美國(guó) FDA 的批準(zhǔn)，目前已廣泛應(yīng)用于臨床。 對(duì)于失去四肢、或四肢完整但因神經(jīng)系統(tǒng)損傷而失去控制的患者，用于運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)假肢已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。現(xiàn)在，研究人員正在開(kāi)發(fā)神經(jīng)假肢，從病人大腦中植入的芯片接收信號(hào)。此外，先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)假肢正在開(kāi)發(fā)中，可以將假肢的信息直接輸入大腦，創(chuàng)造一種觸覺(jué)，從而更好地控制運(yùn)動(dòng)。 （來(lái)源：麥肯錫 The Bio Revolution Report） 雖然最先進(jìn)的腦機(jī)接口技術(shù)正廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域，但研究表明，其中許多應(yīng)用方向仍不太可能在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 出現(xiàn)上述情況的根本原因是腦機(jī)接口技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)仍未得到解決。 “對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，每一項(xiàng)具體功能的實(shí)現(xiàn)都有正在面臨的挑戰(zhàn)” “腦機(jī)接口”（ BCI）的定義 =“腦”+“機(jī) “+“接口”。是一種連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。BCI 系統(tǒng)可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令，并代替人的肢體或語(yǔ)言器官實(shí)現(xiàn)人與外界的交流以及對(duì)外部環(huán)境的控制。換言之 ，BCI 系統(tǒng)可以代替正常外圍神經(jīng)和肌肉組織，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間或人與外部環(huán)境之間的通信 。可見(jiàn)“把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令” 是腦機(jī)接口系統(tǒng)的工作重點(diǎn)。 以神經(jīng)假肢為例，了解人的大腦如何控制肢體的運(yùn)動(dòng)是研究基礎(chǔ)。李金星談到，人腦的運(yùn)動(dòng)皮層是發(fā)起運(yùn)動(dòng)行為的司令部，把運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并控制肌肉運(yùn)動(dòng)是神經(jīng)假肢的作用原理。其中，發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)是脈沖信號(hào)，但肌肉發(fā)力的大小是幅度信號(hào)，重點(diǎn)就在于如何讀取 “脈沖信號(hào)” 并通過(guò)算法轉(zhuǎn)化為精確的“幅度信號(hào)”。“如果要制造人工神經(jīng)控制肌肉運(yùn)動(dòng)，需要把運(yùn)動(dòng)皮層的信號(hào)給讀取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為不同大小的電信號(hào)去精確的刺激每一塊肌肉，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整動(dòng)作，才能產(chǎn)生可控的運(yùn)動(dòng)行為。” 上述步驟分為四個(gè)模塊：信息采集、信息分析、再編碼、反饋，每一個(gè)部分都有屬于自己的研發(fā)重難點(diǎn)。 就信息采集而言，從目前的研究水平來(lái)看在評(píng)估某種信息采集手段優(yōu)劣時(shí)需要考慮三個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)模——可以記錄多少神經(jīng)元；分辨率——這個(gè)工具接收到的信息的細(xì)致程度。這里所說(shuō)的分辨度可以分成兩種：空間上的分辨率（能否細(xì)致記錄單個(gè)神經(jīng)元的觸發(fā)情況）和時(shí)間上的分辨率（能否確定你所記錄的活動(dòng)的確切發(fā)生時(shí)間）。 而信息采集通量和準(zhǔn)確性與設(shè)備的植入方式正相關(guān)，方式分為侵入式和非侵入式。二者都有各自的優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題。 非侵入式是指無(wú)需通過(guò)侵入大腦，只需通過(guò)附著在頭皮上的穿戴設(shè)備來(lái)對(duì)大腦信息進(jìn)行記錄和解讀。“這種技術(shù)雖然避免了昂貴和危險(xiǎn)的手術(shù)，但是由于顱骨對(duì)于大腦信號(hào)的衰減作用，以及對(duì)于神經(jīng)元發(fā)出的電信號(hào)的分散和模糊效應(yīng)，使得記錄到的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率并不高，很難確定發(fā)出信號(hào)的腦區(qū)或者相關(guān)的單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。”李博士說(shuō)到。 之所以出現(xiàn)以上問(wèn)題，是由于神經(jīng)電位在傳遞過(guò)程中會(huì)受到諸多影響。“機(jī)器首先要能聽(tīng)到大腦的聲音，這是目前腦機(jī)接口發(fā)展最大的障礙。大腦'說(shuō)話(huà)’的方式非常獨(dú)特，它通過(guò)在不同的時(shí)間點(diǎn)激活不同的腦區(qū)，來(lái)表達(dá)不同的意圖。同時(shí)腦內(nèi)信號(hào)的收集過(guò)程中也會(huì)收到不同程度的干擾，進(jìn)而降低腦電圖信號(hào)的清晰度。要克服這些問(wèn)題，最好的辦法就是通過(guò)神經(jīng)外科手術(shù)直接把腦電圖設(shè)備嵌進(jìn)大腦里，也就是所謂的侵入式腦機(jī)接口。“ 侵入式可以通過(guò)手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，但也同樣面臨著風(fēng)險(xiǎn)。“首先，侵入式往往伴隨著開(kāi)顱手術(shù)，安全風(fēng)險(xiǎn)和成本較大。由于異物侵入，可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)導(dǎo)致電極信號(hào)質(zhì)量衰退甚至是消失。” 信息采集是只是解題步驟的開(kāi)始，信息分析和再編碼是第二個(gè)難點(diǎn)。 “收集好了足夠多的信息后，就要進(jìn)行信號(hào)的解碼和再編碼以處理干擾，而與大腦直接相關(guān)的輸入、輸出信號(hào)的讀取和解碼是最困難的。”李博士表示，人腦的神經(jīng)信號(hào)作用方式十分復(fù)雜，且由于腦功能的復(fù)雜性以及人類(lèi)對(duì)腦認(rèn)知的局限性, 目前我們只能部分識(shí)別腦電信號(hào), 實(shí)現(xiàn)大腦的部分功能。“而在不打開(kāi)腦子的情況下完成所有信息的讀取和解碼，我覺(jué)得對(duì)于現(xiàn)在而言是一個(gè) impossible 的任務(wù)。” 而提到反饋，李博士表示，將所獲得環(huán)境反饋信息后再作用于大腦也非常復(fù)雜。人類(lèi)通過(guò)感知能力感受環(huán)境并且傳遞給大腦進(jìn)行反饋，感知包括視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等等。腦機(jī)接口要實(shí)現(xiàn)這一步其實(shí)是非常復(fù)雜的，包括多模態(tài)感知的混合解析也是難點(diǎn)，因?yàn)榉答伣o大腦的過(guò)程可能不兼容。 -End- |
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