在遥远的“人机”预言实现前,脑机接口技术应先回到最初的医学使命

作者:电工吧 日期:2020-10-14 09:19:51 人气: 栏目:市场动态

不论是马斯克“脑机接口”(BCI)技术的重大突破,包括其设备获得FDA“突破性设备计划”许可的消息,还是全球范围内以Neuralink、Mind Maze、Neuro Pace、BrainCo等为代表的脑机接口公司的频现,都昭示着曾经被视为科幻的脑机接口如今已照进现实的事实。

脑机接口的热议似乎也走向了赛博朋克里关于“人机”的预言,即所谓的“自由个人”终将成为一个虚构的故事,转而变为生化算法的组合。而此前,无论是《黑镜》还是《黑客帝国》都曾从“反乌托邦”的视角讨论过“脑机”存在的未来意义。

当然,对于脑机接口未来意义的讨论是必要的,这关乎人类文明的生长和社会整体秩序的更新,但事实上,大多数脑机接口技术最初其实是作为医疗应用而被开发。在遥远的“人机”预言实现以前,回到脑机接口技术最初的医学使命,也将帮助我们更多地靠近脑机接口的现实真相。

在遥远的“人机”预言实现前,脑机接口技术应先回到最初的医学使命

脑机接口那些年

脑机接口作为一种不依赖于外周神经和肌肉正常传出路径的通讯控制系统可以采集并分析大脑生物电信号,并在计算机等电子设备与大脑之间构建交流与控制的直接路径。

尽管脑机接口在近年来才成为前沿科技研究的热点技术,但着眼更长的时域会发现,脑机接口研究的整体历史更漫长且复杂得多。

首先,脑机接口的第一阶段为脑结构的理论理解。1924年,德国神经科学家汉斯·伯杰(Hans Berger)首次记录到了人类大脑的电活动,并于1927年发表了关于人类脑电波(Electroencephalogram,即EEG)的开创性著作。作为脑机接口技术的第一种常用方法,EEG神经反馈已经被使用了几十年。

简单来说,当脑神经开始处理信息,就会产生相应的电磁信号。而电磁型号的变化,则反映出当前皮层区域的活跃程度。这些信号经过放大,编译变成了包含信息的信号。这样研究人员就可以进行数据分析,用算法推测出大脑想表达的东西。

对于这些脑电波(EEG),最初人们对其在时域上的波形进行分析(尖峰分析法),之后研究者使用傅里叶变换或小波变换分析EEG信号在频域上的能量分布(能量谱分析法,可以将脑波分成阿尔法,贝塔,伽马及德尔塔波)。

自上世纪中后期以来,混沌动力学兴起,人们发现由于脑神经天然的复杂度,脑波更具有不稳定及非线性的特性,所以越来越多的研究者开始用混沌动力学的研究方法分析脑波及脑皮质结构。其中分形维数(FD)就是混沌动力学在脑波分析用到的工具之一。

脑电波的第二阶段是大脑信号的解码应用。1970年,美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了使用EEG探索大脑交流的计划。

1976年,加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔(Jacques J. Vidal)发表了有关“直接脑机交流”的开创性理论和技术建议,创造性给出了脑机接口沿用至今的标准定义,并将脑机接口研究与开发的重点放在辅助患者恢复受损视力、听力及运动的神经修复之上。

随着技术的进展,第一批人类用神经修复设备在90年代中期出现。1998年则是脑机接口研究的另一大里程碑,研究人员菲利普·肯尼迪(Philip Kennedy)首次将脑机接口装备植入人体内,使用无线双电极获得了高质量数据。

脑机接口因此受到了更多的关注,而其不依赖外围神经与肌肉的参与便能实现大脑与计算机之间的通讯,则凸显出了该技术在辅助治疗脑中风、癫痫等失能患者上的价值。

脑机接口的第三阶段是从实验室到市场的迈进。2006年,布朗大学研究团队完成首个大脑运动皮层脑机接口设备植入手术,能够用来控制鼠标。2012年,脑机接口设备已能够胜任更复杂和广泛的操作,得以让瘫痪病人对机械臂进行操控,自己喝水、吃饭、打字与人交流。

2014年巴西世界杯开幕式,高位截瘫青年Juliano Pinto在脑机接口与人工外骨骼技术的帮助下开出一球;2016年,Nathan Copeland用意念控制机械手臂和美国总统奥巴马握手。

2017年,BrainGate 团队实现了通过植入式脑机接口控制植入式功能性电刺激装置,相当于在原本神经回路的断口处利用外接计算机进行修复连接,使得脊髓损伤病人可以通过大脑活动控制自己的手臂,自主进行一些日常活动。

至此,这种闭环的脑机接口操纵才在本质上接近了人们过去在科幻作品中看到的未来感形象,脑机接口作为人类器官的延伸成为人类自然身体一部分的想法才真正成为可能。

从医学使命到现实生活

随着技术的发展与市场需求的逐步扩大,脑机接口技术由最初仅为完全没有活动能力的患者提供辅助治疗,拓展到拼写、控制指针运动应用。同时,具有控制神经假体功能的各种脑机接口系统、信号处理技术也在此基础上开始发展。

医疗康复是脑机接口技术应用最主要的方面。脑机接口可通过与环境的交互实现重症瘫痪患者多种功能的替代,也可促进大脑重塑以恢复运动功能,减轻残疾程度以改善患者生活质量。

比如,重度运动障碍患者可以在脑机接口技术帮助下,借助意念控制机械臂操作完成一些复杂运动,包括肌萎缩性(脊髓)侧索硬化、脊髓损伤及其他残疾患者,利用脑机接口机械假肢或脑机接口电动轮椅等以补偿部分功能。而运动功能丧失患者则有望借助脑机接口技术利用自身脑电图操控轮椅或机器人,以辅助一些基本运动功能。

另一方面,研究已经证实脑机接口技术对脑卒中所致四肢瘫痪患者,尤其是闭锁综合征患者也有一定改善效果,脑机接口技术也可以刺激暂时性植物人患者脑部以恢复部分脑功能。这也显示出了脑机接口在大脑可塑性方向上的巨大前景。

在8月27日的Neuralink发布会上,马斯克就表示,未来人人都可以在脑部植入一个芯片,解决从记忆力丧失到听力丧失、失明、瘫痪、抑郁、失眠、焦虑、中风、脑部损害等一系列问题以改善严重神经系统疾病患者的生活质量。

而基于使用脑神经的信号控制体外装置,满足特殊需求的初级脑机接口的更多了解,直接让我们更深刻体会到脑机接口的现实,和其现阶段面临的落地困境——无论是医疗康复还是脑疾治疗,都需要克服对脑电信号的解码困境。

以马斯克 Neuralink 的脑机接口项目为例,事实上,除了他的设备能够实现电极数目更多、电极更柔软以及设备微型化,本质上并没有对脑电信号解码的突破。

人的语言是一个极具创造性的系统,其使用在语法规则外没有任何限制。也就是说,进化数百万年来,现实中的对话已经是一个集合了声音、符号、手势、表情在内的成熟的交流体系,并且这个体系仍然在日新月异的不断完善中,而仅仅依赖脑电波信号一种维度来解码这个复杂体系,其难度可想而知。

人脑是一个一直在运行的器官,其脑电信号是持续不止的,尤其是在现实中,人脑常常是在执行听说功能的同时,还在进行触觉、视觉、味觉、嗅觉以及运动等多种功能的运行。

但事实上,到目前为止,当前科学仅仅知道人的语言功能与大脑分区有关,并不知道数百亿神经元中的映射机制,也并不清楚不同功能脑区相互干扰的具体情况。

语言的解码不仅限于听说带来的声波信号,每个词汇和句子还会给人一种语义,而这个语义就会对每个人的反馈不一样。

比如,全世界有上万种语言和方言,那么对于同一个语义,不同语言和方言对应脑电信号都可能有差异,甚至对于不同环境成长的同一语言人群以及同一个人在不同年龄段和不同情绪状态下的脑电信号都可能不同。还有,对于同一时间的同一个人,同一个词汇可能都会引起不同刺激程度的脑电信号。

同时,语言之外更有意识,说出来的语言和听到的语言有声波的物理性质,这些物理信号是确定的刺激信号,而意识则拥有更大的模糊不确定性。

在遥远的“人机”预言实现以前,回到脑机接口技术最初的医学使命,也将帮助我们更多地靠近脑机接口的现实真相。显然,相较于人体其他组织,人类大脑亦拥有更为精妙的结构,要想破解人类大脑的“秘密”还需要更多的探索,而距离成熟的脑机接口技术兴许还有很长的路要走。
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