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他的脑机接口被学术大佬齐踩,但我还是想夸一下这位梦想家

科普中国中央厨房 2020-09-10

  虽然学术大佬们表示新款脑机接口未体现神经解码进展,但还是要夸一下这位梦想家。他让技术变得优雅,更为人所接受。

  

  马斯克现场展示脑机接口设备,仅一枚硬币大小

  作者 | 徐斯佳

  在刚刚过去的8月,“极客商人”埃隆马斯克举办的一场技术发布会再次引发热议。

  会上展示了其2016年创立的Neuralink公司所研发的一款“新型脑机接口”(The LINK):一枚硬币大小的芯片样设备被植入小猪大脑,不到头发丝1/10细的电极与大脑多个功能区相连,将捕捉到的大脑信号无线传输到电脑,后者根据这些信息准确预测出了小猪运动时各关节的位置。

  现场还展示了一款微创手术机器人,能将这种设备精确嵌入人的颅骨,并以每分钟192个的速度向脑组织中植入电极。整个手术在1小时内完成,人体无需全身麻醉,术后当天就能出院。

  

  新型脑机接口的构造简约精巧 | 整理自neuralink.com

  科技感爆棚的描述,很自然让人联想到“记忆复制”、“意念交流”等科幻片中人脑的酷炫开发。但发布会上马斯克却没有提及这些诱人概念,而是低调地称这款脑机接口设备的应用切入点是医疗,包括耳聋、失明、阿尔兹海默症、瘫痪等神经系统疾病,以及抑郁、焦虑、成瘾等精神障碍。

  其实,The LINK最大的亮点也并不在医学上。比如,在小猪身上演示的收集脑信号预判肢体的运动,现在医院里给肢体麻木、肌肉无力的患者做的肌电图检查就是类似原理,只要几百块钱就能做,还不用手术。而医用的脑机接口设备,也早在几十年前就有了。

  脑机接口设备其实早在我们身边

  脑机接口 (Brain-Computer Interface, BCI)顾名思义,是在大脑和机器间建立信号传输接口的技术。听起来高大上,但其实并不是什么新概念。

  早在上世纪70年代诞生的人工耳蜗,可谓迄今技术最成功、应用最普及的脑机接口。对于听觉神经完好,却因耳蜗损坏、无法将外界声音传递给大脑的患者,人工耳蜗就能起到信号传递的作用:佩戴在耳外的麦克风和语音处理器负责收集声音,然后传给事先经手术植入耳内的天线和电极,转换成电冲动,最后传给听觉神经,大脑就能“听到”到各种声音了。虽然这样听到的声音会损失很多细节,不能完全替代正常听觉,但也能帮助患者改善生活。

  

  人工耳蜗是目前最成功的“脑机接口”,声音被设备处理成电刺激传给听觉神经 | 作者整理

  不仅是听觉,大脑的各种知觉本质上都是神经电冲动。理论上,只要外部刺激能通过电子元件转变成大脑可接收的信号,就能产生相应的知觉。基于这个概念,与人工耳蜗相类似的人工视网膜、电子鼻、触觉手套等脑机接口产品,也都陆续被开发了出来。

  近年来,面向瘫痪病人的机械肢技术也在不断进步,带来不少温暖人心的时刻。

  

  脊髓损伤患者控制机械手臂吃巧克力 | csee.umbc.edu

  

  2014年巴西世界杯开幕式上,少年利亚诺·平托通过脑机接口踢出了他瘫痪后人生中的第一球 | reddit.com

  这样看来,无论从医学原理,还是设备功能上,The LINK其实并未展示突破性的成果。那为什么还会引起如此热烈的反响呢?

  The LINK 确实讲了个引人入胜的故事

  其实The LINK最激动人心的地方在于材料和工程技术上的创新,而这可能打破了脑机接口技术发展的壁垒。

  马斯克并不是个传统意义上的科研人员,他是个很会说故事的商人,知道什么样的产品更吸引人、更能推向市场。

  外观上,The LINK很容易让人联想到苹果公司的产品——充满简约之美。对比其他脑机接口设备,这枚仅2.3cm x 0.8cm的“颅骨硬币”足够精致小巧。更别说它还与时俱进地结合了多种人们熟悉的现代科技:无线蓝牙数据传输,手机app管理;24小时续航芯片,并支持10米以内的无线充电……可以说是相当体贴大众了。

  而最重要的是,The LINK是一款优雅的植入式脑机接口。

  以往研究大脑深层功能的植入式设备,要做开颅手术植入芯片,而且能植入的电极数量也非常有限,金属或者玻璃的材质容易引起排异反应。总体上创伤大,风险高,研究仅局限于小规模的动物实验。

  而与之对应的非植入式的脑机接口设备,好比这种满脑袋插满电极的头套,从头皮表面采集信号。暂且不提这顶着一堆线的粗陋形象,关键是这样收集到的脑电信号容易被环境噪音干扰,精度大打折扣。

  

  非植入式的头套电极。| theconversation.com

  人们也尝试过其他更抗噪的方法,比如磁共振扫描。大脑的某个区域活跃时,局部的血流也会发生变化,通过收集不同行为时大脑的血流分布图,也能整理出一定规律。

  但不管怎样,这些非植入式设备仍有难以逾越的壁垒:无法做到双向信号传输,只能由大脑向外单向输出信号。而即使是这样的单向传输,外部设备能接收到的信号也非常笼统模糊。

  我们知道,大脑具有多任务性,比如你的手指不断刷着手机屏幕才能读到这里。隔着皮肤收集的信号,或扫描的整体图像,都是大脑众多信号叠加后的产物,无法反映出大脑内部各个功能区域的运行、协作情况,更别提破解大脑信号的编码机制了。

  再者,每个人都拥有独一无二的记忆和情感,世界上也没有完全相同的大脑。设备繁琐的非植入式接口难以普及,研究只能获得极少数人的大脑活动数据,那么得到的结论必然无法适用到广泛人群,对人脑认知原理的研究难免如管中窥豹。

  所以,要了解大脑的多任务工作模式,以及人类行为和情感的个体化差异,研发能接触脑组织、多区域采集信号的植入式脑机接口,是必然趋势。

  在此不得不佩服马斯克的毒辣眼光。2015美国哈佛大学的一个团队发明了一种导电聚合物网状材料,这种微米级的纤细材质十分柔软、具有流动性,可通过注射植入活体内。由于兼具纳米电极和半导体的性质,这简直是植入式脑机接口梦寐以求的材料。该研究于2015年8月正式发表于《自然纳米科技》期刊,之后不到1年,马斯克就成立了Neuralink公司,并开始以这种材料为基础,研发新型植入性脑机接口。于是就有了现在的The LINK。

  The LINK能向大脑植入多达 1,024 个电极,触及更多大脑区域。和脑中血管的直径相比,仅 5 微米细的电极侵袭性很低,植入过程中能有效避开血管位置,减少出血。并且,这种聚合物和细胞的相容性很好,不易引起排异反应,插入部位组织损伤的修复物质渗出少,电信号传递的灵敏性更高。

  

  The LINK的核心材料是一种可注射的导电聚合物,右图为该材料与脑部血管对比 |作者整理

  一项新技术如果能做到容易使用、容易理解,安全可行,就更有可能收获人们的兴趣和信心,从而招募到更多专业人才、志愿受试者和资金,这将非常有利于科学研究和应用推广。从发布会的效果来看,无论从科学还是商业角度,The LINK都足够吸睛。大家有兴趣可以去浏览一下Neuralink的官方网页,感受一下文案。

  https://neuralink.com/

  科幻与现实:看似近在咫尺,实则远隔光年

  The LINK能做到信号的无线传输,那么理论上,只要有对应的电子接口,信号就能被接收并传达指令。也就是说,大脑“动动念头”就能隔空驱动其他物体。

  你可能并不需要像哈利波特一样召唤扫把。但试想能把一辆特斯拉召唤到身边,是不是还挺帅的?这在技术上其实已经不是什么难事了。

  但人们感兴趣的远不止于此。如果人脑的信息可以自由地上传或下载,那么无论多复杂的知识和技能我们短时间内就能学会。在《黑客帝国》电影中,崔妮蒂打了个电话就在脑中下载了直升机的驾驶程序,还记得那句淡定的“Not yet”吗?

  而做到这一点的前提是掌握大脑的信息编码模式,并在大脑和计算机之间直接进行高流量的双向信息传输。

  又或者,当我们对大脑的功能区域划分了如指掌后,对每个人都无法逃避的情感问题,就可以选择只关闭负面的情绪来减轻痛苦了。

  而这些是人类技术迄今无法企及的。人类可以编写电脑程序,来解读部分大脑信号,但对脑内信号的编码机制依旧知之甚少。

  虽然马斯克声称The LINK的无线传输是双向的,外部信号能对小猪的大脑能产生影响,但到底是怎样的影响他也没说,咱也不敢多问,想必是会让小猪尴尬的。

  人类大脑含有860亿个神经元,和无数的次级突触,The LINK的区区1,024个电极看得到的只能算是头上的一小片星空,而在那之外是无垠的宇宙。就算按照摩尔定律“每18个月芯片的性能提高一倍”,脑机接口要能全面收集人脑神经网络的信号,也得等到猴年马月了。

  但好消息是,神经科学家们推算,当脑机接口产品能够同时监测100万个神经元的实时信号时,就足以达到用人脑操控交通工具、人机交互无需鼠标键盘,直接通过脑机接口传递信息的程度了。那么假设The LINK的1,024条电极,每条只测量一个神经元活动,距离理想中具备100万个神经元带宽的脑机接口,大约需要15年的时间,也就是大概2035年前后,这就有盼头多了。

  

  十几年后的“脑机交互”,或许可以期盼一下。|来自网络

  可能有人会说,和基因编辑技术一样,脑机交互达到一定境界后难免会引发安全性和伦理上的难题,这项技术是又一个“潘多拉”魔盒。

  但无论如何,科技的进步势在必行。纵观整个人类的进化史,其实就是一部连续数千年的“人类认知史”。而眼下,人类文明要通往全新的高度,也只有建立在对大脑的认知不断深入的基础上,否则在这个信息爆炸的时代,对信息量的接受和处理,对世界个体的了解终将令我们不堪重负。而只要达尔文的“适者生存法则”依旧成立,能帮助人类适应时代变化的技术也将得以保留和发展,而无法适应的个体或技术也终将被淘汰。

  题外话:

  “极客商人”改造人类社会的野心

  深挖了一番新型脑机接口的技术背景后,对马斯克的产品发布会的评价又出现了各种声音。有人称他展示的新型脑机接口为“人类下一阶段文明的钥匙”,也有人认为这和他既往的各个创业项目一样,科技外壳的华丽下实际并没有多少实质性亮点,而且在缺乏数据支撑的情况下,把还没有达到的功能吹嘘得太玄乎,对一些关键难题却避重就轻,实在缺乏学术的严谨态度。

  但像上文中已经说到的,马斯克本来就不是传统的科研人员,他最擅长的是挖掘科技项目规模化商业推广的潜力。对于被他称为0.9版的The LINK脑机接口,当下最要紧的或许正是画个美好的蓝图,聚拢顶尖人才,吸引资金,继续技术攻关。事实上他确实在这么做,Neuralink公司创立才短短4年,却已经是行业内的佼佼者,并刺激了整个行业的加速发展。

  这位净资产超过1000亿美元的“科技发烧友”常常脑洞大开,语出惊人,大有“能用钱解决的问题都不是问题”的“壕”爽。

  但难得的是,这位老兄并不是只在嘴上立flag,他吹的牛几乎都能变成现实,而且效率很高。从可回收火箭、太空互联网“星链”计划、地下高速隧道,到这次的脑机接口,马斯克那些大胆超前,科技感炸裂的创业项目都在不断为人们带来惊喜。

  同时我们还要看到,除了敢想敢做不差钱,国家的基础科研实力也是造梦的必要支撑。如果没有这种质地纤柔的导电聚合物做可注射型电极, The LINK的突破性就缺少了最重要的材料基础。另一方面,医学、材料学、物理、工学等基础学科的交叉融合,科研人员、商人、乃至普通民众共同关注、参与的项目才更有机会创造出超常的成果。

  用马斯克本人的话说,一件事只要在物理上无法证明不可行,那就是肯定可以做到的,至于其他的困难都可以克服。他也正是以这种理念鼓励他的团队,不计一切代价以最快的速度达到目标。这种乘风破浪的精神,可能正是在没有超级英雄也没有超能力的现实中,支持着我们带着效率有限的大脑和容易疲惫的身心,不断勇攀高峰的力量吧。

  参考资料:

  1.https://www.csee.umbc.edu/2015/02/debate-ethics-of-brain-computer-interface-technology/

  2. https://www.who.int/bulletin/volumes/97/3/19-020319/zh/

  3. Liu J, Fu T M, Cheng Z, et al.Syringe-injectable electronics[J]. NatNa, 2015, 10(7): 629-636.

  文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。

责任编辑:王超

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