脑机接口正从科幻走向现实

来源:微信公众号“天大神经工程”

科幻电影《机械战警》中,主人公墨菲遭遇事故,只剩下大脑和部分躯干,科学家为其打造完整的机械骨骼,墨菲通过大脑控制钢铁身躯,成为机械战警。

电影《环太平洋》中,人类能够通过脑神经连接操作机甲与怪兽搏斗,掀起了一轮机甲狂潮。

人类一直在幻想着有一天大脑能直接控制机械,取代肉体的缺陷。如果现在有人告诉你,这即将成为现实,是不是觉得很疯狂?事实上,这一天已经到来,这种技术就是本文要讲的脑机接口。

什么是脑机接口

脑机接口(brain-computer interface,BCI)通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息,构建大脑与外部世界的直接信息传输通路,在神经假体、神经反馈训练、脑状态监测等领域有广泛的应用前景。

简单说,就是实现用意念控制机器。这意味着人与机器的主要交互方式,除了手工输入,以及近几年兴起的人工智能语音交互之外,还可以直接通过大脑向机器发指令。

目前的脑机接口技术可以分为两类,一类是侵入式,比如在大脑中植入芯片,还有一类为非侵入式,比如戴上可以采集脑电波的头盔或帽子。

2014年巴西世界杯开幕式,一名腰部以下瘫痪的少年,通过BCI控制的机器外骨骼从轮椅上站起来,向前迈出几步,踢出了世界杯的第一脚球。

目前正在应用的脑机接口工具

Ø 功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,FMRI)

  • 规模:大(能够显示整个大脑的信息)

  • 分辨率:空间分辨率为中低,时间分辨率为极低

  • 侵入性:非侵入性

FMRI 不是传统的脑机接口工具,但它是一种典型的记录工具——它能告诉你大脑内部的情况。

FMRI 能够扫描整个大脑,生成三维模型。

FMRI 的主要缺点在于分辨率,它扫描生成的图像确实会有一个分辨率,正如电脑屏幕上会有像素一样,只不过它的像素是三维立体的——也就是所谓的「体素」(voxel);

其次是在于时间分辨率。FMRI 所追踪的血流量并不精确,而且会有大约一秒钟的延迟。

Ø 脑电图(Electroencephalography,EEG)

  • 规模:大

  • 分辨率:空间性分辨率极低,时间分辨率中高

  • 侵入性:非侵入性

脑电图已经拥有接近一个世纪的历史,这种技术就是在脑袋上贴一堆电极:

一种完全非侵入性的脑机接口工具,脑电图可以记录下大脑中不同区域的电流活动,然后生成这样的结果:

Ø 皮质电图(Electrocorticography,ECoG)

  • 规模:大

  • 分辨率:空间分辨率低,时间分辨率高

  • 侵入性:部分侵入性

皮质电图的原理跟脑电图类似,同样都会采用电极——只是这种技术会将电极放在颅骨下面,也就是大脑表面。

虽然有点可怕,但很有效,至少比脑电图的效果好多了。没有了颅骨的干扰,皮质电图能够获取更高空间分辨率(1 厘米左右)和时间分辨率(5 毫秒)的信息。

Ø 局部场电位(Local Field Potential,LFP)

  • 规模:小

  • 分辨率:空间分辨率中低,时间分辨率高

  • 侵入性:高侵入性

介入脑部的微电极,直径在 10 到 30 微米之间。局部场电位领域的一项最新发展是多电极阵列(multielectrode array),它的原理和局部场电位一样,只是它会同时在皮质的某个区域同时插上 100 个微电极,如下图在4毫米x4毫米的小方块上有100个细小的硅电极,最尖端只有几微米:

单细胞记录(Single-Unit Recording)

  • 规模:极小

  • 分辨率:极高

  • 侵入性:高侵入性

单细胞记录也是采用微电极,但是这种电极的尖端会变得异常细小,因此它的电阻也会大大提高。这种方式可以屏蔽掉大多数的噪音,但也会导致电极几乎探测不到任何东西——除非在它特别靠近一个神经元的时候(也许距离 50 微米),神经元发出的信号强度足以穿过电极的电阻。

由于这种方式可以探测到单个神经元的独特信号,而且没有背景噪音的干扰,所以现在我们就可以监视单个神经元的个体活动。这种方式的记录规模最小,分辨率最高。

另外还有一种电极可以更近距离地探测神经元,它们采用的是一种叫做膜片钳(patch clamp)的技术,这种电极的顶端会被移除,剩下一根细小的玻璃吸管(作者注:它的直径只有人类头发的 1/100),它可以将神经元细胞膜的一部分吸进玻璃管内,从而实现更精确的测量:

最后一种电极会真正刺穿细胞膜,并完全进入神经元内部,这种方法叫做尖锐电极记录(sharp electrode recording)。如果电极顶端足够尖锐就不会破坏神经元细胞——因为细胞膜会在电极周围闭合。

这种方式可以轻易刺激神经元,或者记录神经元内外的电压差。但是这种技术对神经元的干预时间不长——因为被刺穿的神经元无法长时间存活。

风口上的脑机接口(BCI)

随着BCI技术的成熟,众多“头号玩家”争相进入BCI领域:

Ø Neuralink

你可能知道,“硅谷钢铁侠”马斯克用Tesla推动了电动汽车的迅猛发展,用SpaceX加快了太空探索的步伐,但你可能还不知道他创办了脑机接口公司Neuralink来改造人类自身。人工智能时代以降,为了对抗强人工智能不可控的风险,马斯克正努力促进人机融合,将人类自身打造成人工智能,这或许是人类物种能够延续的最终路径。

马斯克说,“我认为,人们不喜欢的一个事实是,自己已经成为一个半机械人。与20年甚至10年前相比,人已经不是同一种生物,比如,许多人已经一刻也离不开手机。我认为,人在某种程度上已经与手机、笔记本、应用等融合在一起。”Neuralink的目标是全脑脑机接口,能够与大脑的任何区域传输神经信号,它将成为综合的“数字化第三皮层”,人类将成为半机械人

Ø Facebook

2017年,Facebook在F8开发者大会上揭晓了神秘的部门Building8,并发布了黑科技“脑机语音文本界面”,用人话解释就是:不用动手,更不用说话,脑中所想会直接展示在显示器上。

发布会中Facebook展示的一段来自斯坦福的实验录像,实验对象通过脑部植入电极控制计算机光标,能实现每分钟8个英文单词的输入速度。

2018年,中国电子学会近日公布的《新一代人工智能领域十大最具成长性技术展望(2018—2019)》里,智能脑机交互赫然在列

BCI研究瓶颈

脑(Brain):人类对脑科学探索还处于婴儿期,如何在脑科学认知限制条件下研发BCI?

机(Computer):带宽瓶颈——如何小儿巧地容纳大量信息?

接口(Interface):如何解决生物相容性问题?人的免疫系统排斥本体之外的”入侵”物体,如何让BCI融入有机体?

脑机接口(BCI):伦理问题——试验阶段,如果开颅,可以做大量生物实验吗?推广阶段,如果读心实现,隐私何在?

BCI的未来

那么,问题就来了,什么时候BCI才能进入寻常百姓家?小编无法回答这个问题。

“我认为未来8至10年,脑机接口技术就可以用于普通人。值得指出的是,产品上市销售时间受到监管机构批准,以及各种疾病患者使用效果的影响。”

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