腦機(jī)接口正從科幻走向現(xiàn)實(shí)

讓人腦連接電腦，有些問題應(yīng)未雨綢繆

像人類一樣思考一直是人工智能不斷追尋的目標(biāo)。目前，盡管人工智能的應(yīng)用場景不斷拓展，但其與人類思維還存在著明顯的差距，對于人腦的認(rèn)知始終影響著人工智能的發(fā)展，如何了解和模擬人腦已成為迫切需求。本期兩篇文章所涉及的研究——腦機(jī)接口和類腦計(jì)算機(jī)為我們帶來了這方面的前沿信息。

——編者

打開人類的頭顱，植入電子芯片，讀取腦電波，獲取海量知識，這種科幻電影中的橋段正在逼近現(xiàn)實(shí)。8月29日，知名電動汽車公司特斯拉的創(chuàng)始人埃隆·馬斯克旗下的腦機(jī)接口初創(chuàng)公司Neuralink，演示了最新一代侵入式腦機(jī)接口設(shè)備（Brain-Computer Interface，BCI），并展示了大腦被植入了該腦機(jī)接口的三只小豬。

馬斯克發(fā)展腦機(jī)接口的初衷是希望用機(jī)器來提高人腦智力，從而與人工智能機(jī)器人抗衡。裝進(jìn)大腦的智能設(shè)備，似乎跟智能穿戴設(shè)備沒什么區(qū)別，只是它可以清晰讀取大腦的信號。有人說，這就像是一個(gè)“潘多拉魔盒”，一旦打開，其潛力幾乎是無限的，人類的發(fā)展也會迎來重大的改變。

天津腦科學(xué)中心主任助理、天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)許敏鵬副教授表示，這次發(fā)布的腦機(jī)接口設(shè)備，主要的突破是對采集電極陣列進(jìn)行了高度集成，并將數(shù)據(jù)由有線改為無線傳輸，支持無線感應(yīng)充電，有助于腦機(jī)接口設(shè)備的微型化、便攜化發(fā)展。不過，BCI技術(shù)距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定距離，此外，其對人體健康的影響以及數(shù)據(jù)安全等問題也不容忽視。

高度集成采集電極陣列，設(shè)備微型化

據(jù)報(bào)道，Neuralink演示的這款BCI比硬幣還小。通過全自動化設(shè)備可在30分鐘內(nèi)完成大腦植入手術(shù)，無需全身麻醉，當(dāng)天就能出院，而且手術(shù)是可逆的。BCI可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信息的上傳、儲存、下載甚至修改，把意念轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)識別的數(shù)據(jù)信號。

“從近幾次的發(fā)布會來看， Neuralink團(tuán)隊(duì)目前的工作集中在腦電信號的采集方式上。”許敏鵬認(rèn)為，對于這次發(fā)布的BCI設(shè)備，主要突破是對采集電極陣列進(jìn)行了高度集成，即將1024個(gè)通道集成排布到只有硬幣大小的“貼片”上。除此之外，Neuralink也將數(shù)據(jù)由有線改為無線傳輸，并支持無線感應(yīng)充電，這對BCI設(shè)備的微型化，便攜化發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

“設(shè)備的微型化、便攜化一直是數(shù)字革命的一大發(fā)展方向。”許敏鵬舉例說，以最熟悉的電腦和手機(jī)為例，1946年世界第一臺計(jì)算機(jī)誕生時(shí)占地170平方米，重達(dá)30噸，但隨著工程技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在的筆記本可以輕至1千克，且運(yùn)算速度遠(yuǎn)高于第一臺計(jì)算機(jī)，這也才有了我們在車站、高鐵上的移動辦公；手機(jī)也從最初的“大哥大”發(fā)展為極其輕便的智能手機(jī)，甚至在一定程度上可以代替電腦，為我們的生活帶來了極大的便利。

BCI從第一次提出至今，設(shè)備在性能、體積、重量上也有了非常大的改進(jìn)，這種微型化的發(fā)展為智能穿戴BCI提供了重要的技術(shù)支撐。“也許在未來BCI設(shè)備就像智能手環(huán)一樣方便，我們只需想一想，它就能識別我們的想法，完成一系列的操作。”許敏鵬說。

目前天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在集中攻關(guān)BCI設(shè)備，期待未來3—5年內(nèi)可以提供大規(guī)模商用的解決方案。

倫理上存在爭議，保護(hù)信息安全是關(guān)鍵

對BCI技術(shù)的應(yīng)用，一直有反對意見。如360創(chuàng)始人周鴻祎就認(rèn)為，人類可以允許BCI技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上用來治療和幫助一些殘障人士、精神疾病患者等，但應(yīng)該嚴(yán)格限制BCI技術(shù)的使用范圍。因?yàn)楫?dāng)每個(gè)人都變成“數(shù)字人”以后，數(shù)據(jù)保護(hù)將面臨巨大挑戰(zhàn)。

對此，許敏鵬表示，現(xiàn)有BCI的信號采集技術(shù)，讀取的還是用戶在特定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)的腦電波，即需要用戶接受和遵循相應(yīng)的交互協(xié)議，如根據(jù)協(xié)議要求，執(zhí)行想象自己左手握拳的任務(wù)，否則所采集到的是交互協(xié)議外的意念信息，這種自由意圖信息目前是無法解碼的，因此尚不存在利用BCI竊取協(xié)議外個(gè)人隱私信息的問題。

“不過，科學(xué)和工程的發(fā)展常常帶來重要的倫理問題。”許敏鵬說，一方面，BCI相關(guān)的神經(jīng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是未知的、不可控的，例如腦深部電刺激、侵入性微電極陣列等，它們可能會引起不可預(yù)料的大腦重塑、組織反應(yīng)或感染的風(fēng)險(xiǎn)等，這方面目前尚未有系統(tǒng)和全面的研究。

另一方面，BCI采集的信息中含有用戶的個(gè)體信息，這會涉及到隱私安全問題。因此要求研究人員在設(shè)計(jì)上把風(fēng)險(xiǎn)減至最低程度，以避免出現(xiàn)信息泄露、黑客攻擊等問題。同時(shí)建立健全相應(yīng)的體制和監(jiān)管政策，使一切信息采集活動都有跡可循，切實(shí)保護(hù)用戶隱私。

醫(yī)療領(lǐng)域前景廣闊，但數(shù)字永生還很遙遠(yuǎn)

目前BCI技術(shù)可分為侵入性和非侵入性，侵入性BCI技術(shù)需要通過外科手術(shù)將信號檢測電極植入大腦皮層。

“馬斯克最新發(fā)布的‘LINK V0.9’作為侵入性BCI技術(shù)，具有較高的信噪比和良好的時(shí)間、空間分辨率。但難點(diǎn)是研發(fā)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的電極陣列，以記錄目標(biāo)神經(jīng)元群的信號，同時(shí)最小化環(huán)境干擾。電極材料、結(jié)構(gòu)等的選擇與設(shè)計(jì)，長期記錄電極性能的評價(jià)，植入點(diǎn)周圍微環(huán)境的變化等方面也是影響侵入性BCI研究的難題。”許敏鵬認(rèn)為，長期植入人體的健康安全風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視，這或?qū)⒊蔀槠渥畲筇魬?zhàn)。

而非侵入性BCI安全性高，適用人群更加廣泛。但由于大腦皮層活動產(chǎn)生的神經(jīng)電信號穿過顱骨等組織層后，信號質(zhì)量大大削弱，并損失了大量有關(guān)大腦皮層神經(jīng)電活動信號源的時(shí)空分布信息，所以非侵入BCI的一個(gè)重大難點(diǎn)是要從噪聲大、混疊嚴(yán)重的腦電信號中提取并識別微弱的目標(biāo)腦電特征，這需要從感知機(jī)制到軟硬件協(xié)同創(chuàng)新予以克服。

馬斯克在發(fā)布會中表示，未來人們可直接用意念就能與別人進(jìn)行交流，還可以用意念召喚甚至駕駛一輛特斯拉。

“腦控汽車只是BCI眾多應(yīng)用場景的一個(gè)縮影，目前BCI技術(shù)在醫(yī)療健康方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，也在部分疾病的康復(fù)和改善方面形成了較好的效果。”許敏鵬舉例，比如目前已經(jīng)商業(yè)化的人工耳蝸，它能代替人的耳蝸把聲音信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后直接刺激聽神?jīng)纖維，從而產(chǎn)生聽覺，為重度耳聾、極重度耳聾或全聾患者提供了恢復(fù)聽力的可能。

此外，視網(wǎng)膜神經(jīng)假體技術(shù)通過在視網(wǎng)膜附近植入電極陣列來刺激神經(jīng)細(xì)胞，以治療因視網(wǎng)膜光感受器退化變性引起的失明癥，目前在美國、德國等一些醫(yī)院已經(jīng)開展了相關(guān)的臨床試驗(yàn)。在腦卒中康復(fù)方面，BCI技術(shù)也有較大的應(yīng)用空間。比如天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“神工”系列人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人，將BCI與神經(jīng)電刺激技術(shù)結(jié)合，為腦卒中患者提供了主動性的康復(fù)訓(xùn)練，顯著改善了卒中患者的生活質(zhì)量。

“BCI技術(shù)還引發(fā)了人們對數(shù)字永生的暢想。人們希望將思想與記憶上傳云端，使意念像在線的幽靈一樣，在數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)永生。”許敏鵬表示，雖然BCI在神經(jīng)信號的讀取、寫入等方面都顯示了巨大潛力，但目前BCI研究仍然處于較初級的階段，對眾多的腦機(jī)理，如：記憶是如何存儲的等問題依然知之甚少，所以距離用BCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字永生仍很遙遠(yuǎn)。（記者 陳曦）