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时间:2023-10-07 21:38:49 来源: 浏览:

读创深度 | 脑机对接 深圳获突破

读创/深圳商报记者 袁斯茹

不久前,电影《阿凡达》重新上映,人们得以重温潘多拉星球的神奇:通过自带的“万能接口”,纳美人能用意念召唤坐骑、和各个物种直接交流。而从电影初次上映至今的12年间,人类的脑机接口研究也取得了重大突破。

“脑机接口技术可以拓宽人们和外界沟通的渠道,突破眼睛、鼻子、嘴或手的限制,实现意念感知,甚至通过重组神经网络,训练出‘超级大脑’。”近日,中科院深圳先进院正高级工程师李骁健告诉记者。据悉,其团队在国内率先打通了脑机接口全技术链,目前已将柔性电极阵列接入猕猴脑内。

△李骁健

脑机接口并不神秘

走进李骁健的实验室,各种零件、设备、工具满满当当。比起科学实验室,这里更像一个工程实验间。其中,头顶接有一个小盒子外设的玩具猴引人注目。李骁健说,这是团队对比真实实验猴制作的演示道具。

脑机接口,本质上是在人或动物的脑与外部设备间,创建用于信息交换的连接通路。根据采集信息方式的不同,分为植入式和非植入式两种。其中,植入式即将传感器植入脑内,可获得高质量的神经信号,并利用电流让计算机和脑细胞产生“互动”,而非植入式只需戴上“脑电帽子”,通过无创的经颅电刺激,来达到一定的信息传递效果。

李骁健团队专注于植入式脑机接口的研究。他向记者详细展示了实验中涉及到的各个模块,“脑机接口并不玄幻,只是技术链比较长。”

首先,将传感器植入对应的脑区中,为使采集到的信息达到一定精度,传感器数量可以达到成千上万个;在采集到神经信号后,由连接着的芯片和电路进行预处理,放大神经电信号并处理掉干扰信息,转化为数字电信号;接下来,分析采集到的信息,进行解码;然后通过再编码,形成效应器控制指令,比如控制机械臂给自己端一杯咖啡,或实现意念打字;此时感知到的执行信息再反馈给大脑,用来确定后续的任务。

(图片来自网络)

“这其中涉及到从脑到机和从机到脑两个过程,难点包括判断哪个脑区负责哪些信息、如何让成千上万个传感器同时工作、如何让植入对大脑的损伤尽可能小,反馈给大脑的信息如何尽量还原为真实感知等。”李骁健告诉记者。

“超级大脑”或许可行

事实上,最近的脑机接口界可谓十分热闹。

今年4月,马斯克的Neuralink公司在猴脑中植入脑机接口,让其意念玩电子游戏。5月,顶级期刊《科学》刊登了斯坦福大学的最新成果,大脑中植入了脑机接口的瘫痪患者,实现了意念写字。

“这两项成果都是典型的应用示范,”李骁健说,“在相关技术达到一定积累的时候,科学家们开始寻找具体的应用,在这个过程中让技术进一步完善。”

比如在斯坦福大学的实验中,科研人员遇到一个难题:患者的手已经瘫痪十多年,他的大脑还“记得”用笔写字这一神经活动吗?最终,团队通过一种被称为数据增强的方法,在神经活动模式中引入人为变化来拓展训练数据,最终模仿人类大脑中产生的自然变化。

△斯坦福团队的意念写字登上《Nature》封面

李骁健告诉记者,理论上,通过训练,可以重塑大脑中的神经网络。“就像骑自行车、游泳,都不是与生俱来的技能,却可以通过后天训练,让大脑中负责这些活动的神经元‘排列组合’,形成新的神经网络。”他举例道。

在斯坦福大学的实验中,患者脊髓中控制运动的神经元坏死,科学家通过读取写字这种运动在脑内的神经信息,重现了用手写字的活动。类似的,如果负责某些运动的神经元坏死,也可以训练附近的神经元来代替,而脑机接口是重要工具。

“如果‘脑洞’再大一些,人们可以通过脑机接口,训练塑造出此前从未出现过的脑神经网络,可能形成‘超级大脑’。这会是神经工程的变革性技术。”李骁健说。

值得一提的是,对于Neuralink公司提出的,脑机接口可实现记忆的下载和上传,业界先驱米格尔·尼克莱斯利曾在腾讯WE大会上表示,“过于玄幻,‘数字永生’也并不存在。”

△英剧《黑镜》中,人们可以上传和保存自己的意念,实现“数字永生”

深圳有技术优势

双光子显微镜、神经拟态的柔性电极阵列、光驱动神经遥控技术……李骁健主持和参与研发的新技术、新设备着实不少。他表示,这些都是为研究和发展脑机接口技术开发的工具。

“脑机接口的产业链较长,其中又涉及生物学、神经学、材料学、计算机、电子工程等多门学科,有效的工具必不可少。”李骁健说。他特别提到在深圳从事这一研究的优势:深港的脑科学领域在国内较为先进,而深圳的智能制造业发达。团队自己设计的零件和样机,大都在深圳可以找到订制厂家。上午送去样图,一两天就能拿到实物,这在别的地方是做不到的。

尽管团队已打通全技术链,甚至做出了和Neuralink系统带宽同级别的脑机接口装置,但李骁健也承认目前的一些关键技术与国际水平相比,还有一定差距。比如Neuralink的高密度传感器只有头发丝的1/4,定制的神经芯片比人的指甲还小很多。“我们目前也在朝设备微型化的方向努力,只有设备越来越小,直至看不出来,脑机接口才有大规模应用的可能。”李骁健说。

谈及具体落地应用,他认为有三个主要方向。第一是神经疾病治疗和神经系统替代,比如瘫痪患者的“脑控假肢”,甚至脱离外挂机械,实现自主神经修复。第二是神经调控,用于干预某些精神类疾病可能引发的危险行为。事实上,人脑的决策往往比实际行动要快几秒钟,而脑机接口可以在获取神经系统的危险决策后,在人付诸行动前将其阻止,当然其中涉及到伦理安全问题。第三是跨越感官进行交流,这是人类较高层次的对信息的诉求。马斯克在初建Neuralink时也提到,人类需要突破主要依赖眼睛和嘴巴收发信息的瓶颈,以更高效的形式,生活在未来的信息世界中。

(受访者供图)

脑机接口大事记

1924年,德国精神病学家伯格发现了脑电图,人们看到了来自大脑的信号。

1969年,华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究。

1990年代,杜克大学的尼可莱里斯完成对老鼠运动脑电波的初步研究,实现了提取夜猴的皮层运动神经元信号,来控制机器人手臂。

1999年,哈佛大学的斯坦利试图解码猫的神经元放电信息,来重建视觉图像,从中能看到可辨认的物体和场景。

2000年,Donoghue小组实现恒河猴对计算机屏幕上的光标运动控制,来追踪视觉目标,其中猴子不需要运动肢体。

2008年,匹兹堡大学神经生物学家宣称利用脑机接口,猴子能用操纵机械臂给自己喂食,标志着相关技术已实现动物脑和外部设备直接相连。

2009年,美国南加州大学的伯格小组研制出能够模拟海马体功能的神经芯片。该团队将这种芯片植入大鼠脑内,使其成为高级脑功能假体。

2014年,巴西世界杯,身着机器战甲的截肢患者,凭借脑机接口和机械外骨骼开出了一球,背后技术由尼可莱里斯团队提供。

2016年,美国明尼苏达大学取得重大突破,让普通人在没有植入大脑电极的情况下,只凭借“意念”,在复杂的三维空间内实现物体控制,包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。

2017年,斯坦福大学团队发表论文,宣布他们成功让三名受试瘫痪者通过简单的想象,精准控制电脑屏幕的光标,输入了他们想说的话,其中一名患者可以在1分钟内平均输入39个字母。

2020年,埃隆·马斯克旗下的Neuralink公司找来“三只小猪”,向全世界展示了采集到的大脑信号。

审读:孙世建

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