美国最新技术来了,专搞人的脑子 | 地球知识局

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NO.2583-脑机接口

文字:东君


每一年,世界都在飞速地变化。一大批新的科技已箭在弦上,比如我们耳熟能详的ChatGPT、文心一言、Midjourney,更新迭代的速度都远比我们人类要快得多,让打工人有种前有狼后有虎的感觉。


但还有一些速度更快的,就等着某一天突然出现超级产品震撼我们的三观,比如——脑机接口


去年5月26日,埃隆·马斯克创立的脑机接口公司Neuralink宣布:旗下的PRIME项目——精确机器人植入脑机接口,已获得美国食品药物管理局(FDA)批准,将开始进行人体临床研究


▲图注:去年9月,Neuralink开始招募大脑植入试验的人员

(图:reuters)


Neuralink成立于2016年,用马斯克的原话说:“其目标是建立人与计算机之间快速的交流通道,尤其在人类输出信息方面,大大超越目前缓慢的鼠标键盘技术。”


此前,Neuralink已经完成了许多动物实验,例如通过植入大脑的芯片、让猴子可以用意念控制屏幕上的光标。


▲图注:9岁的猕猴Pager

通过植入大脑的Neuralink芯片玩视频游戏

(从下面的铁管可以喝到奖励的香蕉奶昔)

(图:Neuralink)


通过一系列安全性的技术审核后,PRIME获得的人类实验许可,标志着这一研究实际应用又迈出了重要的一步。


脑机接口是什么?


脑机接口(Brain-Machine Interface, BMI)是开发机器与神经系统进行直接信息交互的技术。这种直接信息交流,绕开了任何肌肉运动和感觉器官,而且是相互的。


一方面,机器可以通过读取神经活动产生的电磁信号获取大脑的意图。例如:人们可以只凭脑中的意图,就控制手机和电脑、操纵机械臂、用扬声器说话,甚至建立人与计算机之间直接的思维连接……


▲图注:科幻迷:这题我熟


另一方面,机器也可以通过对特定神经元集群的电刺激,向大脑输入信息。这就是将图像、声音等转化为神经信号,直接输入大脑的相关皮层,就可以绕开眼睛、耳朵,带来视觉和听觉的主观体验。


这样的前景至少对各类残疾人士是莫大的福音,目前大部分脑机接口的研究,也都被限制在帮助失能者、神经疾病患者重新拥有类似常人的能力


▲图注:比如一种完全植入ALS患者的脑机接口

患者们再也不用羡慕霍金的那台高科技轮椅了

(图:NEJM.org)


PRIME目前的主要方向正是如此,帮助瘫痪患者用意念操作电子设备,此外Neuralink也在进行帮助盲人恢复视力、脊椎病患者获得重新控制身体能力的研究。


当然对于马斯克这样的人来说,这显然只是一些初步的目标,他对脑机接口的长远设想是建立人机之间的高效沟通渠道消除两者之间的鸿沟


▲图注:马斯克的目标,一如既往的“宏大”

不过未来的事,谁说得准呢

(图:panGenerator)


脑机接口分为侵入式与非侵入式两种模式,马斯克的PRIME项目属于侵入式,其特点是需要在颅骨上开一个小孔,将芯片的电极插入大脑皮层特定区域,用以直接读取神经元产生的细胞外电信号。


▲图注:不同的路径示意

最主要的区分就是需不需要开颅


▲图注:PRIME的侵入式脑机接口示意

(图:Neuralink)


侵入式脑机接口的优势是可以获取高质量、高时空分辨率的神经信号,从而获得精细的大脑信息,但这种技术难度高、风险大,属于脑机接口领域最硬核的方向。


非侵入式脑机接口则不需要在颅骨开孔,而是通过脑电图、核磁共振等方式获取神经系统信息。这种技术风险低,但因为隔着颅骨,无法对特定的神经元集群进行“监听”,只能“听见”大范围脑区的宏观活动。这就根本上,就决定了它能够获得的信息比较有限,一般只能解读大脑的整体状态,例如清醒程度、情绪等等,很难精确地获得特定的意图、知觉等信息。


▲图注:比起入侵式脑机接口

这种“满脑电极”的非侵入式脑机接口似乎更常见

(图:cybathlon)


打个比方:非侵入式脑机接口就像在一座喧闹的球场上空,只能听见无意义的嘈杂声,或者大量观众一起喊的口号声;侵入式脑机接口,则可以让你选择球场中任意一个区域,听见其中每个人具体在说什么。


侵入式脑机接口无疑具有更广阔的技术前景,但目前大部分脑机接口的工业化尝试都是非侵入式的,这主要还是受到技术水平、成本、风险所限。在侵入式脑机接口取得重要突破之前,非侵入式脑机接口依然会是市场主流。


比如目前已经开始产品化的智能人工假肢,只需采集一些皮肤上的肌电信号,通过AI的解析就可以精细地控制机械假肢。但严格意义上,这甚至不是“脑”机接口。


▲图注:一种仿生上肢假肢的工作原理示意

整个假肢系统同时集成了触摸、动觉和运动意图


此外,还有一些所谓的“半侵入式”脑机接口,在手术难度上小于侵入式,但信号质量自然还是不如侵入式。


在大脑中植入芯片!


对于侵入式脑机接口这个最具挑战又最富前景的方向,PRIME是当前的领军者之一,它开创了大量的新技术,堪称一项多学科交叉的工程奇迹


PRIME的植入物是一块硬币形状的芯片——N1。N1上带有64根导线,每根导线前端有16个电极,用以采集不同神经元的电信号。


▲图注:N1的结构和大小示意

(图:Neuralink)


显然,1024个电极(即使后续会大大增加)对于数以千亿计的大脑神经元,还是一个杯水车薪的数字。


幸运的是,许多大脑信息只在很小范围内的神经元中就可以获得。例如运动皮层某个区域的少数神经元,就可以表达将屏幕上的光标移往不同方向的意图。这就为初级“读心术”提供了可能。


PRIME首先通过功能核磁共振等方法,确定植入芯片的位置,这在不同个体间大致相似,但也有一些偏差。


▲图注:具体而言,需要将MRI和CT扫描对齐

在术中确定植入物在颅骨表面上的位置

(图:Neuralink)


位置确定后,切开头皮,用特制的开孔器,在颅骨上打开一个与芯片同样尺寸的圆孔,再剥离下面的硬脑膜,这时大脑皮层组织就露出来了。一台叫R1的手术机器人,会在光学系统的辅助下,将N1上的64根导线一一插入大脑皮层中。


N1的导线比发丝还细,同时插入过程还需避开人眼无法看见的毛细血管,此等精细的工作只有机器人才可以完成。


▲图注:R1手术机器人

(图:Neuralink)


微小的导线尺寸,使得同样的空间可以插入更多导线,获取更多的神经元信号,也大幅减少了大脑皮层的损伤、免疫反应和疤痕组织。值得注意的是,这些都是此前侵入式脑机接口面临的难题。


R1用来插入导线的金属针也非常细,由激光研磨,只有10-12微米宽,相当于红细胞的尺寸,减少了插入过程对皮层组织的损伤。


▲图注:金属针由Neuralink定制的飞秒激光磨机制造

不到一分钟的时间就能在针尖上塑造出几何形状

(图:Neuralink)


研究者事先划定好插入导线的区域,具体每根线的精确位置由R1自动判定,以避开微小的血管。


▲图注:检查看看有没有都避开血管

(图:Neuralink)


每根导线上的电极可以检测到周围不远处神经元发放的动作电位,然后实时传输给N1。


导线的位置很大程度为随机,因为大脑神经结构异常复杂,个体间也存在差异。研究者只能确定一个尽可能小的区域,然后在其中随机采样。同时,有些导线也许根本无法采集到有用信息。


▲图注:插入导线后的大脑皮层区域

(图:Neuralink)


导线的数量决定了能够获得信息的丰富度,N1已经能在猴子大脑中获取在屏幕上移动光标的动作意图,Neuralink计划在下一代芯片上安装十倍以上的导线和电极,届时有望获取更丰富的信息


R1的导线插入只需大约20分钟,此后N1将被放置在颅骨的圆孔中,与颅骨表面齐平,再缝合头皮,等头发重新长出以后,就看不出植入痕迹了。


▲图注:N1植入后的横切面

(图:Neuralink)


N1的数据传输和充电过程都采用了无线方式,保证了使用者的行动自由。为确保长期安全工作,N1经过了大量专门设计和测试,包括抗冲击、防水、电池安全性、生物友好性、电路发热程度等,而且整个系统可以便利地进行升级


▲图注:以不同的距离和角度为N1无线充电的演示

(图:Neuralink)


PRIME团队还在不断改善各方面工作,例如在不切除硬脑膜(DURA)的情况下插入导线(让导线从脑膜中穿过),从而进一步减少对人体的损伤。


如何解码神经信号?


N1在汇集各个电极的信号后,通过蓝牙将它们实时发送到计算机等外部设备,再由那些设备上的软件对其进行解码,此时就进入了脑机接口的软件层面——解读神经元信号背后的含义


▲图注:Neuralink想象中把脑机接口技术运用到日常的场景

会有手机、基座等外部设备

(图:Neuralink)


需要注意的是,N1本身就会进行一些数据的本地预处理,以减少数据发送量。但考虑到N1的尺寸、电量和发热限制,大部分解码工作仍需在外部设备中进行。


解码软件的核心是一个人工神经网络,由于每个电极一开始采集的神经元信号,其意义很大程度是未知。因此在手术完成后,需要对植入者进行一系列认知测试,用以训练这个人工神经网络,直到其可以将神经元的兴奋模式解码成准确的动作


▲图注:已经开发出的用户app

N1记录到的大脑信号将无线传输到此程序中进行解码

(练习用大脑控制移动鼠标光标的界面)

(图:Neuralink)


一个很有趣的现象,因为只有(人工)神经网络能够理解(自然)神经网络,所以即使训练完成后,人类可能也难以理解这个黑箱系统中的具体工作原理。


训练完成后,植入者的相关意图,就会被转换成光标的移动、文字、语音、机械臂的动作等等输出了。


▲图注:从N1传输来的1024个通道的神经元活动

输入人工神经网络(右侧)后,输出特定的动作意图

(图:Neuralink)


别看整个过程非常复杂,实际在理论上可以非常迅速,甚至比正常的大脑到肌肉的神经传导更快。植入者的动作发起速度,可能还会超过普通人。


另外还可以通过植入芯片向大脑皮层输入信号,模拟外界感官刺激,产生特定的知觉。


▲图注:通过直接向大脑视觉皮层输送编码后的摄像机图像

让盲人重新获得视觉

这项研究已经在猴子实验中获得确定成果

(图:Neuralink)


目前而言,侵入式脑机接口最大的局限性,也许就是只能接触较小的脑区,读/写有限的信息。由于脑的信息加工和存储分布在整个脑组织各处,如果PRIME需要更广泛的信息,只能在颅骨上开更多孔洞,植入更多芯片,甚至将颅骨上部替换为某种蜂窝网格结构


颅骨,这个保护了动物亿万年的球形容器,或将成为脑机接口的最大屏障


▲图注:不过,看起来Neuralink对其

医生团队的开颅水平很有信心

(图:Neuralink)


除了Neuralink,近几年其他许多脑机接口团队也获得了重大突破。


2021年5月,斯坦福大学Willett团队解读了动作皮层关于笔画的编码,让瘫痪者可以通过在脑海中“写字”输出文字。


▲图注:借助这套皮质内脑机接口系统

患者每分钟可打出90个字符

然后由系统自动识别生成字母

(图:HHMI)


2022年6月,约翰·霍普金斯大学团队通过植入芯片,让一位瘫痪者通过意念控制机械臂


▲图注:患者植入电极阵列后

经过几个月的练习就可以通过脑机接口自主进食了

(图:APL)


2023年8月,加州大学Chang团队将芯片植入瘫痪者Ann的语言皮层,通过解读数十个基本语音信息的神经编码,让患者可以通过在脑海中“默念”输出语句,速度最高达每分钟78个单词,已经接近日常交流水平。


▲图注:植入大脑皮层的芯片

让失语18年的Ann重新“开口说话”了

(图:Pete Bell)


还有相对悠久的脑深部电刺激(DBS)技术,目前也获得了更大的发展。通过在深层脑组织植入电极,用开关控制电刺激,可以缓和抑郁症、帕金森症等疾病的症状,目前国内外都已有大量的临床手术案例。


▲图注:脑深部电刺激,俗称“脑起搏器”


目前的脑机接口研究,绝大多数旨在帮助失能者、神经疾病患者恢复常人生活状态,因而很少引起伦理问题。但脑机接口的技术本质,决定了它极易成为某种制造“超级人类”的技术(PS:这甚至就是马斯克等人对脑机接口的技术愿景)。


一旦脑机接口技术让一部分人拥有了超过常人的能力,例如超强的记忆力、学习能力、反应力、感官知觉、输出效率等等,就会引发巨大的伦理问题


▲图注:速读速记不再是梦?

(图:网络)


首先,这无疑会带来巨大的不公平,进一步加剧社会分化,普通人类在经过机器强化的超级人类面前几乎会失去竞争力


其次,与机器和网络的直接连接,可能对使用者产生重大的安全和隐私问题,甚至在一定程度上,让使用者面临被控制的危险。


▲图注:影视剧中家长使用脑机技术以掌握孩子的一切

她可以查看女儿所看到的一切事物

甚至可以控制女儿让她看不到危险的东西

(图:《Black Mirror》)


最后,脑机接口的发展、超级人类的出现,会逐渐模糊人机之间的界限,让人类的生存状态发生根本的改变


《终结者》、《黑客帝国》、《机械公敌》等等电影中的场景也许都会变为现实,意识上传思维永生等科幻题材也可能实现。


▲图注:《黑客帝国》中的脑机接口

将人的脑部活动完全“复制”到系统当中


这一切,或许将导致人类这一物种最终消失,“进化”成另外一种“智能体”。就像著名的硅谷作家、奇点理论提出者——库兹韦尔,在《灵魂机器的时代》一书中设想的那样:“届时,我们今天所钟爱的、拥有的一切,将发生翻天覆地的改变。”


也许,多数朋友都或多或少会对这一天感到惶恐。但如果它如蒸汽机和电力的普及一样无可避免,或许我们能做的就是做好自己,并时刻保持对最新事物的理解与学习的能力


▲图注:笔者用AI绘制的未来超级人类设想图

几乎整个大脑都与机器连接


参考资料:

Musk E, Neuralink

An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels

J Med Internet Res 2019;21(10).

Pisarchik AN, Maksimenko VA, Hramov AE

From Novel Technology to Novel Applications: Comment on “An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels” by Elon Musk and Neuralink

J Med Internet Res 2019;21(10).

Willett FR, Avansino DT, Hochberg LR, Henderson JM, Shenoy KV (May 2021). "High-performance brain-to-text communication via handwriting". Nature.593 (7858): 249–254.

Fiani B, Reardon T, Ayres B, et al. An examination of prospective uses and future directions of neuralink: the brain-machine interface[J]. Cureus, 2021, 13(3).

com/

com/neuralink

youtube.com/@neuralink

wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface

ucsf.edu/


*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:《EVA 序》


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