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腦機(jī)接口離我們還有多遠(yuǎn)?

 漢青的馬甲 2017-05-05

Tagoma

來(lái)自利維坦

00:00 05:56


利維坦按:BCI,是Brain Computer Interface的縮寫,即腦機(jī)接口技術(shù)。它是在人或動(dòng)物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。1924年,瑞士發(fā)明家漢斯·伯格(Hans Berger)將銀絲插入實(shí)驗(yàn)者大腦皮層之下,開發(fā)出腦電圖(EEG),是最早的腦機(jī)連接概念。



由此,BCI技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,就好比電話是我們聲音的延伸、汽車是我們行走的延伸——一系列浪漫且聽起來(lái)不太安全的言論此起彼伏,包括對(duì)“自我”概念的質(zhì)疑(何為人類),對(duì)失控的恐懼(心靈控制)——盡管如此,技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟。



文/James Wu、Rajesh P. N. Rao

譯/禮物

校對(duì)/石煒

原文/www.smithsonianmag.com/innovation/melding-mind-and-machine-how-close-are-we-180962857/

 

一種基于對(duì)頭皮腦電波進(jìn)行記錄的非植入人腦-計(jì)算機(jī)互聯(lián)形式。


正如古希臘人幻想飛翔,今天我們的幻想是將人腦與機(jī)器融為一體,來(lái)對(duì)抗凡人必有一死的宿命。那么精神真的能通過(guò)人腦-計(jì)算機(jī)互連方式(BCI,brain-computer interface)直接跟人工智能、機(jī)器人等相連相通,進(jìn)而超越人類固有的局限嗎?


在過(guò)去50年間,不論在大學(xué)還是在企業(yè),已經(jīng)取得了不少令人矚目的成就,大家正在共同向著這個(gè)目標(biāo)前行。最近,著名企業(yè)家伊隆·馬斯克(Elon Musk,特斯拉汽車和太空探索技術(shù)公司SpaceX首席執(zhí)行官,Neuralink是他新近啟動(dòng)的神經(jīng)科技公司)和布賴恩·約翰遜(Bryan Johnson,他擁有的Kernel公司專注于開發(fā)神經(jīng)義肢,希望借此改善大腦功能)都成立了新公司研究如何通過(guò)人機(jī)互連來(lái)提高人類的綜合能力。


那么我們距離真正將大腦和科技成功連接究竟有多近?而當(dāng)我們的思想真的插上電之后又會(huì)有什么影響?


緣起:康復(fù)與重造


匹茲堡大學(xué)Andy Schwartz實(shí)驗(yàn)室的腦機(jī)接口系統(tǒng),通過(guò)植入猴子腦內(nèi)的電極陣列實(shí)現(xiàn)解碼,猴子可以用意念操作機(jī)械臂給自己喂食。


感官運(yùn)動(dòng)神經(jīng)工程學(xué)中心(CSNE,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)下屬的人體工程學(xué)研究中心)的研究員埃布·費(fèi)茨(Eb Fetz)是最早研究如何將機(jī)器與思想相連結(jié)的先行者之一。早在個(gè)人電腦出現(xiàn)之前的1969年,他就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)猴子會(huì)放大自己的大腦信號(hào)來(lái)控制表盤上的指針移動(dòng)。


最近的大多數(shù)人腦與計(jì)算機(jī)互連研究都是致力于提高那些癱瘓或者有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙人群的生活質(zhì)量。你可能已經(jīng)看到過(guò)新聞報(bào)道,一些關(guān)于近來(lái)取得的進(jìn)展:比如匹茨堡大學(xué)的研究人員通過(guò)記錄大腦信號(hào)來(lái)控制機(jī)器臂;斯坦福大學(xué)則從癱瘓病人的大腦信號(hào)中提取出運(yùn)動(dòng)意向,以幫助他們使用平板電腦。


與之類似,一些特定的虛擬的感覺(jué)也可以通過(guò)在腦內(nèi)或者大腦表面?zhèn)鬟f電流而被送回到腦中。


那么我們主要的視覺(jué)和聽覺(jué)呢?對(duì)于有嚴(yán)重視力障礙的人來(lái)說(shuō),很早就有仿生眼投入商用了,更好的版本現(xiàn)在也正在臨床實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。另一方面,人工耳蝸植入也是仿生學(xué)移植中最為成功和廣泛的一種,全世界有超過(guò)30萬(wàn)人因此而重新獲得聽力。


雙向的腦-機(jī)互連(BBCI,bidirectional brain-computer interface)就是指不僅可以記錄大腦的信號(hào)還能經(jīng)由對(duì)大腦的刺激將信息傳送回大腦中。


最復(fù)雜的腦-機(jī)互連就是雙向腦-機(jī)互連(BBCI),可以同時(shí)記錄和刺激神經(jīng)系統(tǒng)。我們中心(指CSNE)目前正在研究將雙向腦-機(jī)互連當(dāng)作一種略開放的新型康復(fù)手段,用于中風(fēng)和脊髓損傷的治療中。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)雙向腦-機(jī)互連可以用來(lái)加強(qiáng)兩個(gè)腦區(qū)域之間或者大腦和脊髓之間的連接,還能在受傷區(qū)域重新連結(jié)起信息,喚起癱瘓了的肢體。


迄今為止的這些成功案例也許會(huì)給我們一種感覺(jué),那就是腦-機(jī)互連已經(jīng)隨時(shí)準(zhǔn)備好要成為下一個(gè)居家旅行必備工具了。


為時(shí)尚早


上圖是正在測(cè)試電特性的腦皮層電圖格,專門用于檢測(cè)大腦表層的電特性變化。


但是仔細(xì)觀察現(xiàn)有的這些腦-機(jī)互連的范例會(huì)發(fā)現(xiàn),其實(shí)任重道遠(yuǎn):當(dāng)腦-機(jī)互連開始工作時(shí),相比健全人每天可以很輕易地操縱肢體,它們的速度會(huì)很慢,也不夠精確不夠復(fù)雜。仿生的眼睛智能創(chuàng)造很低分辨率的視覺(jué);人工耳蝸可以用電子控制的方式傳遞一定的話語(yǔ)信息,但是卻會(huì)扭曲音樂(lè)體驗(yàn)。而且為了使這些技術(shù)能夠切實(shí)發(fā)揮作用,有一個(gè)大多數(shù)人很少會(huì)考慮到的問(wèn)題存在,也就是必須通過(guò)外科手術(shù)向人體植入電極。


當(dāng)然并非所有腦-機(jī)互連都是植入式的。無(wú)需手術(shù)的無(wú)創(chuàng)型腦-機(jī)互連也確實(shí)存在;這種通常是基于對(duì)頭皮所做的腦電波記錄(EEG,electroencephalography),目前已經(jīng)用來(lái)示范操作過(guò)電腦光標(biāo)、輪椅、機(jī)器臂、無(wú)人機(jī)、人形機(jī)器人,乃至腦對(duì)腦溝通。


基于腦-機(jī)互連方式的機(jī)器人:


華盛頓大學(xué)神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的非侵入式腦控人形機(jī)器人


但所有這些都是在實(shí)驗(yàn)室里完成的,因而實(shí)驗(yàn)環(huán)境非常安靜,受試者不會(huì)分心,技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程不僅時(shí)間長(zhǎng)而且很有條理,實(shí)驗(yàn)可以一直做到有了合適的結(jié)果為止。也就證明了要使這些系統(tǒng)能夠又快又好地在真實(shí)世界中得到實(shí)際的利用其實(shí)是非常困難的。


即便是往人體內(nèi)植入電極,在試著讀懂思想時(shí)有一個(gè)新的問(wèn)題必須要考慮:我們的大腦是如何結(jié)構(gòu)化的?我們已經(jīng)知道了,每一個(gè)神經(jīng)元跟它所連接的成千上萬(wàn)的鄰近神經(jīng)元共同組成了一個(gè)大到難以想象而且不斷變化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。那么這樣一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于神經(jīng)工程師來(lái)說(shuō)意味著什么?


想象一下,就如同你正試圖理解一大群朋友在聊什么,他們聊的是一個(gè)非常復(fù)雜的話題,可是你只能聽到一個(gè)人所說(shuō)的內(nèi)容。你也許能夠粗略地弄清楚這個(gè)對(duì)話是關(guān)于什么的,但是肯定無(wú)法確切知道整個(gè)討論當(dāng)中所有的細(xì)枝末節(jié)。因?yàn)榧词故亲詈玫闹踩胧皆O(shè)備一個(gè)時(shí)刻也只能幫我們理解大腦的極小一部分,我們可以處理一些讓人印象深刻的事情,但是事無(wú)巨細(xì)地了解整個(gè)對(duì)話肯定是不可能的。


這還可以理解成跟語(yǔ)言障礙差不多。神經(jīng)元之間通過(guò)復(fù)雜的電訊號(hào)和化學(xué)反應(yīng)相互作用來(lái)進(jìn)行溝通,這種機(jī)體內(nèi)部的電-化學(xué)語(yǔ)言可以利用電路解讀出來(lái),但是并非易事。同樣的,當(dāng)以外部的電刺激向大腦傳回信號(hào)時(shí),也會(huì)帶有濃重的“外來(lái)電口音”,這就導(dǎo)致神經(jīng)元很難從無(wú)數(shù)正在進(jìn)行的神經(jīng)活動(dòng)當(dāng)中辨識(shí)出這種刺激到底是要表達(dá)什么內(nèi)容。


再加上還要考慮損壞問(wèn)題。大腦組織柔韌脆弱,而相比之下大多數(shù)我們用來(lái)連接腦組織的線狀導(dǎo)電材料都顯得格外剛硬。這也就意味著植入式電子裝置很容易導(dǎo)致創(chuàng)傷和免疫反應(yīng),因而也就很容易隨著時(shí)間而失去效力。柔韌的生物親近性纖維組也許能最終在這方面有所幫助。


共同適應(yīng),友好同居


盡管存在上述種種問(wèn)題,我們對(duì)于仿生未來(lái)還是非常樂(lè)觀的。腦-機(jī)互連技術(shù)也不一定要盡善盡美才行。大腦本身就有驚人的適應(yīng)能力,就像人類學(xué)開車或者學(xué)著使用觸摸屏這類新技能一樣,大腦應(yīng)該也能在某種程度上學(xué)會(huì)利用好腦-機(jī)互連。同理,就算是利用磁脈沖等非植入型的方式向腦部傳遞信息,大腦也能學(xué)著解釋這些新的感覺(jué)信息。


通過(guò)腦-機(jī)互連技術(shù),可以玩游戲:



總的說(shuō)來(lái),我們相信能夠“共同適應(yīng)”的雙向腦-機(jī)互連應(yīng)該會(huì)是創(chuàng)建神經(jīng)橋梁時(shí)的必經(jīng)之路,在這樣的互連狀態(tài)下電子裝置會(huì)不斷學(xué)習(xí)大腦的運(yùn)作方式,并且在學(xué)習(xí)的過(guò)程中與大腦不斷互動(dòng)和反饋。創(chuàng)建這樣的雙向腦-機(jī)互連正是我們研究中心(CSNE)的目標(biāo)所在。


我們同樣非常欣喜的是,最近試圖將“電藥物療法”(electroceuticals)用于定向治療糖尿病等疾病的研究取得了一定成果,所謂“電藥物療法”是指不通過(guò)實(shí)際藥物而是直接向身體內(nèi)部的器官發(fā)出指令來(lái)治療疾病。


研究人員也發(fā)現(xiàn)了可以克服電-生化語(yǔ)言障礙的新途徑。例如注射式的“神經(jīng)帶”(www.nature.com/nnano/journal/v10/n7/full/nnano.2015.115.html)目前證明是一種比較有前景的方式,這種方式可以漸進(jìn)地讓神經(jīng)元伴隨著植入的電極共同成長(zhǎng),而非一味地拒斥。而以納米導(dǎo)線為基礎(chǔ)制造的柔性探針、柔韌的神經(jīng)元支架還有玻璃碳質(zhì)地的表層等,未來(lái)都有可能幫助技術(shù)性微電腦與我們身體內(nèi)的生物元件和諧共處。


從輔助到增強(qiáng)


伊隆·馬斯克的新公司Neuralink有一個(gè)終極目標(biāo),那就是利用腦-機(jī)互連裝置來(lái)提高人類的能力,以便在日益發(fā)酵的人類與人工智能的角逐中讓人腦占據(jù)上風(fēng)。他希望人類的大腦在配備了科技力量之后能夠?qū)崿F(xiàn)自我增強(qiáng),甚至可能避免讓人類墮入潛在的反烏托邦未來(lái),那時(shí)人工智能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越自然人。他的想法似乎看起來(lái)非常遙遠(yuǎn)簡(jiǎn)直是天方夜譚,但是我們也著實(shí)不應(yīng)將這種觀點(diǎn)驅(qū)逐出去。畢竟就在15年前,可以自動(dòng)駕駛的汽車也還被劃入科幻領(lǐng)域,而今卻是實(shí)實(shí)在在地邁入了現(xiàn)實(shí)道路(此處指伊隆·馬斯克的特斯拉汽車)。


腦-機(jī)互連可以有多種類型變化:不論是與周圍神經(jīng)系統(tǒng)(神經(jīng))還是與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(大腦)相連,不論是植入式還是非植入式,也不論是用于恢復(fù)已喪失的功能還是用于增強(qiáng)機(jī)體功能。


在不遠(yuǎn)的將來(lái),當(dāng)腦-機(jī)界面的應(yīng)用逐漸從幫助殘障人群恢復(fù)身體功能過(guò)渡到增強(qiáng)人類個(gè)體能力時(shí),我們必須要敏銳地意識(shí)到這其中存在很多問(wèn)題,包括許可、隱私、身份認(rèn)同、代理商、不平等之類。哲學(xué)家、臨床醫(yī)師還有工程師都在致力于處理這些關(guān)乎道德和社會(huì)正義的中心議題,并希望能在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展超出我們想象之前,拿出一份合乎道德的指南。


聯(lián)通大腦與科技,這最終也許是一個(gè)人類不斷利用技術(shù)來(lái)增強(qiáng)力量的自然進(jìn)程,正如我們利用輪子來(lái)克服雙腳的限制,或在粘土和紙上做標(biāo)記以加強(qiáng)記憶。用于增強(qiáng)人類能力的腦-機(jī)互連裝置,可能更像是被廣泛應(yīng)用的電腦、智能手機(jī)或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備,當(dāng)進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)后,人們會(huì)被刺激,會(huì)擔(dān)憂,但同時(shí)也對(duì)未來(lái)滿懷希望。




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