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脑机接口正从科幻走向现实

来源:科技日报    时间:2020-09-11    

  像人类一样思考一直是人工智能不断追寻的目标。目前,尽管人工智能的应用场景不断拓展,但其与人类思维还存在着明显的差距,对于人脑的认知始终影响着人工智能的发展,如何了解和模拟人脑已成为迫切需求。

  打开人类的头颅,植入电子芯片,读取脑电波,获取海量知识,这种科幻电影中的桥段正在逼近现实。8月29日,知名电动汽车公司特斯拉的创始人埃隆·马斯克旗下的脑机接口初创公司Neuralink,演示了最新一代侵入式脑机接口设备(Brain-Computer Interface,BCI),并展示了大脑被植入了该脑机接口的三只小猪。

  马斯克发展脑机接口的初衷是希望用机器来提高人脑智力,从而与人工智能机器人抗衡。装进大脑的智能设备,似乎跟智能穿戴设备没什么区别,只是它可以清晰读取大脑的信号。有人说,这就像是一个“潘多拉魔盒”,一旦打开,其潜力几乎是无限的,人类的发展也会迎来重大的改变。

  天津脑科学中心主任助理、天津大学神经工程团队许敏鹏副教授表示,这次发布的脑机接口设备,主要的突破是对采集电极阵列进行了高度集成,并将数据由有线改为无线传输,支持无线感应充电,有助于脑机接口设备的微型化、便携化发展。不过,BCI技术距离大规模商业化应用还有一定距离,此外,其对人体健康的影响以及数据安全等问题也不容忽视。

  高度集成采集电极阵列,设备微型化

  据报道,Neuralink演示的这款BCI比硬币还小。通过全自动化设备可在30分钟内完成大脑植入手术,无需全身麻醉,当天就能出院,而且手术是可逆的。BCI可实现神经信息的上传、储存、下载甚至修改,把意念转化为可被计算机识别的数据信号。

  “从近几次的发布会来看, Neuralink团队目前的工作集中在脑电信号的采集方式上。”许敏鹏认为,对于这次发布的BCI设备,主要突破是对采集电极阵列进行了高度集成,即将1024个通道集成排布到只有硬币大小的“贴片”上。除此之外,Neuralink也将数据由有线改为无线传输,并支持无线感应充电,这对BCI设备的微型化,便携化发展有一定的促进作用。

  “设备的微型化、便携化一直是数字革命的一大发展方向。”许敏鹏举例说,以最熟悉的电脑和手机为例,1946年世界第一台计算机诞生时占地170平方米,重达30吨,但随着工程技术的发展,我们现在的笔记本可以轻至1千克,且运算速度远高于第一台计算机,这也才有了我们在车站、高铁上的移动办公;手机也从最初的“大哥大”发展为极其轻便的智能手机,甚至在一定程度上可以代替电脑,为我们的生活带来了极大的便利。

  BCI从第一次提出至今,设备在性能、体积、重量上也有了非常大的改进,这种微型化的发展为智能穿戴BCI提供了重要的技术支撑。“也许在未来BCI设备就像智能手环一样方便,我们只需想一想,它就能识别我们的想法,完成一系列的操作。”许敏鹏说。

  目前天津大学团队也在集中攻关BCI设备,期待未来3—5年内可以提供大规模商用的解决方案。

  伦理上存在争议,保护信息安全是关键

  对BCI技术的应用,一直有反对意见。如360创始人周鸿祎就认为,人类可以允许BCI技术在临床医学上用来治疗和帮助一些残障人士、精神疾病患者等,但应该严格限制BCI技术的使用范围。因为当每个人都变成“数字人”以后,数据保护将面临巨大挑战。

  对此,许敏鹏表示,现有BCI的信号采集技术,读取的还是用户在特定时间内执行特定任务时的脑电波,即需要用户接受和遵循相应的交互协议,如根据协议要求,执行想象自己左手握拳的任务,否则所采集到的是交互协议外的意念信息,这种自由意图信息目前是无法解码的,因此尚不存在利用BCI窃取协议外个人隐私信息的问题。

  “不过,科学和工程的发展常常带来重要的伦理问题。”许敏鹏说,一方面,BCI相关的神经技术风险是未知的、不可控的,例如脑深部电刺激、侵入性微电极阵列等,它们可能会引起不可预料的大脑重塑、组织反应或感染的风险等,这方面目前尚未有系统和全面的研究。

  另一方面,BCI采集的信息中含有用户的个体信息,这会涉及到隐私安全问题。因此要求研究人员在设计上把风险减至最低程度,以避免出现信息泄露、黑客攻击等问题。同时建立健全相应的体制和监管政策,使一切信息采集活动都有迹可循,切实保护用户隐私。

  医疗领域前景广阔,但数字永生还很遥远

  目前BCI技术可分为侵入性和非侵入性,侵入性BCI技术需要通过外科手术将信号检测电极植入大脑皮层。

  “马斯克最新发布的‘LINK V0.9’作为侵入性BCI技术,具有较高的信噪比和良好的时间、空间分辨率。但难点是研发具有高灵敏度和高稳定性的电极阵列,以记录目标神经元群的信号,同时最小化环境干扰。电极材料、结构等的选择与设计,长期记录电极性能的评价,植入点周围微环境的变化等方面也是影响侵入性BCI研究的难题。”许敏鹏认为,长期植入人体的健康安全风险也不容忽视,这或将成为其最大挑战。

  而非侵入性BCI安全性高,适用人群更加广泛。但由于大脑皮层活动产生的神经电信号穿过颅骨等组织层后,信号质量大大削弱,并损失了大量有关大脑皮层神经电活动信号源的时空分布信息,所以非侵入BCI的一个重大难点是要从噪声大、混叠严重的脑电信号中提取并识别微弱的目标脑电特征,这需要从感知机制到软硬件协同创新予以克服。

  马斯克在发布会中表示,未来人们可直接用意念就能与别人进行交流,还可以用意念召唤甚至驾驶一辆特斯拉。

  “脑控汽车只是BCI众多应用场景的一个缩影,目前BCI技术在医疗健康方面显示出了巨大的应用潜力,也在部分疾病的康复和改善方面形成了较好的效果。”许敏鹏举例,比如目前已经商业化的人工耳蜗,它能代替人的耳蜗把声音信息转变为电信号,然后直接刺激听神经纤维,从而产生听觉,为重度耳聋、极重度耳聋或全聋患者提供了恢复听力的可能。

  此外,视网膜神经假体技术通过在视网膜附近植入电极阵列来刺激神经细胞,以治疗因视网膜光感受器退化变性引起的失明症,目前在美国、德国等一些医院已经开展了相关的临床试验。在脑卒中康复方面,BCI技术也有较大的应用空间。比如天津大学神经工程团队研发的“神工”系列人工神经康复机器人,将BCI与神经电刺激技术结合,为脑卒中患者提供了主动性的康复训练,显著改善了卒中患者的生活质量。

  “BCI技术还引发了人们对数字永生的畅想。人们希望将思想与记忆上传云端,使意念像在线的幽灵一样,在数字空间中实现永生。”许敏鹏表示,虽然BCI在神经信号的读取、写入等方面都显示了巨大潜力,但目前BCI研究仍然处于较初级的阶段,对众多的脑机理,如:记忆是如何存储的等问题依然知之甚少,所以距离用BCI技术实现数字永生仍很遥远。

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