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脑机接口接连取得突破

2019-09-04  京融弘祥

如果你也是一名科幻迷,那你对脑机接口(brain-computer interface,BCI,人或动物脑与外部设备间建立的直接连接通路)一定不会感到陌生——在上个世纪的赛博朋克风格的作品中,脑机接口可是大有作为,《攻壳机动队》里素子后颈的接口与全身机械化的“义体”,《黑客帝国》中脑后插管与直达大脑的虚拟世界,这些想象的背后,都要依赖高完成度的脑机接口才得以实现。

图 | 《攻壳机动队》

人类对脑机接口的想象并没有停止。近年上映的《头号玩家》、《阿丽塔:战斗天使》以及美剧《爱·死亡与机器人》,还在讲着人与机器的故事,科幻作品钟爱借助机器,延伸人类大脑的空间和力量。
站在时代的临界点上,科幻作品的场景正在照进现实。创造超人类,是人类进入某个阶段开始有的目标。
尤瓦尔·赫拉在《未来简史》中这样描述这种欲求:“人类在20世纪的伟大成就——克服饥荒、瘟疫和战争——都是为了让所有人享有富足、健康与和平。之于21世纪的新议题:获得永生、幸福快乐、化身为神,也同时希望为全人类服务。”
欲求背后,还有恐惧。尽管目前,我们仍处于弱人工智能时代,但在越来越多的领域中,机器都战胜了人类。在硅谷“钢铁侠”马斯克看来,未来确保人类的经济价值,“生物智能和机器智能的结合”将是必要的。
一直以来,新兴科技领域都是IDG资本重要的投资赛道。押注科技,也是押注人类的未来。

马斯克“代言”的脑机接口,到底是什么?


“脑机接口可以让我们跟上AI的脚步。”马斯克的Neuralink7月17日最新产品发布会上激动到一度笑场。
十秒钟之内,激光在头骨上钻孔,机器人“缝纫机”将人类发丝一半粗细的电路插入大脑,精确避开血管。人脑到机器的信息传递表演开始。

图 | Neuralink
马斯克所期待的脑机接口的未来,是像微创眼科手术一样,快速、安全无痛地植入脑机接口芯片。你可以通过USB-C接口读取大脑信号,甚至可以通过iPhone控制,接收大脑信息和向大脑输入信息。
这正是脑机接口的两个最基本的问题[1]:
  • 第一,如何从大脑中获取正确的信息?这个问题是“从脑到机”,捕获大脑的输出信号,并试图去理解神经元在做什么。

  • 第二,如何将正确的信息发送到大脑?这个问题,则是“从机到脑”,用机器的方式刺激大脑,输入信息或者改变大脑的自然状态——例如,如何帮助盲人重建视觉。

在当前的研究中,“从脑到机”已经有了一些研究成果。
典型应用如机械义肢,已经有了几十年的发展,1977年,德国一家公司研发出世界上第一个完全使用微处理器控制的义肢。2016年,世界首届半机械人运动会(Cybathlon)在瑞士苏黎世举办,比赛项目只是爬楼梯等简单运动。下一届Cybathlon将于2020年举行。[2]
去年,麻省理工的Hugh Herr教授在演讲中展示了自己因事故截肢后装上的机械腿——这对机械腿利用残存的神经信号工作,它们能跑能跳,但不能将触觉反馈给教授本人。为了解决这个问题,教授团队研发出一套模拟神经冲动的人机界面,让义肢可以反馈触觉,甚至灵敏地发现“脚”底粘上了东西。[2][3]
Hugh Hurr教授 | 图 TED
机械义肢只需要连接外围神经,另外一些围绕大脑的更高级的应用也有了突破性的进展。
就在今年4月,来自加州大学旧金山分校(UCSF)神经外科系的Edward Chang等在Nature杂志上发表了题为Speech synthesis from neuraldecoding of spoken sentences的研究论文,报道了脑机接口领域的一项重大进展:将实验者(被植入侵入式电极的癫痫患者)说话时的脑皮质电图信号,解码为发音器官运动的特征,再合成为人类可以直接理解的语音。将这些通过脑机接口获取的单词或短句的语音交给人类聆听者辨别,识别的成功率接近70%。作者认为,聆听测试的结果表明,用脑电波解码合成的语音已经具有足够高的现实应用价值。[4][5]
在更早的研究中,通过非侵入式的脑电图,也可以实现简单的视觉判定——如在屏幕(二维空间)上选择单词、移动光标等简单操作。2016年12月,明尼苏达大学研究者Bin He等,通过非侵入式的脑电图(EEG),让实验者仅用意念就可以控制机械臂在三维空间中抓取物体等复杂操作。[6]

意念控制机械臂。图 | College of Science and Engineering, University of Minnesota
而“从机到脑”,却是基本没什么头绪。机到脑的研究相比脑到机要缓慢许多,原因就是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态。而由机到脑对神经编码知识的需求要远大于从脑到机。神经科学在单神经元的研究也正在逐渐明朗,但大脑各种神奇之处根本无法解释。
2013年时,斯坦福大学教授KrishnaShenoy说,我们对大脑的理解,就跟在16世纪初人类对世界地图的了解差不多。而哈佛大学的教授Jeff Lichtman的说法则是,“如果大脑总共包含的知识原理有一英里长,我们已经在这个路程上走了大概3英寸。”[1]

多学科交叉下的创投赛道


没有人会怀疑,脑机接口技术将产生巨大的价值。
医疗领域,无疑是该技术落地最迫切的场景。想象一下,借助脑机交互和外骨骼机器人,高位截瘫患者也能自如控制肢体,健步如飞。马斯克本人也表示,预计明年年底会应用于人类病患。
再想象一下,未来用脑机接口技术来打《王者荣耀》是不是会很像《阿凡达》里的意念控制情节?
再想多一点,到脑机接口成熟后,人们是否会利用它做肢体的升级?也就是所谓的“人类增强”(Human Intelligent)。在漫威影片中,普通人秒变钢铁侠托尼·斯塔克的画面,是否会从炫酷的科幻走向现实?
脑机接口,给“超人类”提供了一条路径,但瓶颈依然不少。
脑机接口的划分形式一般也是看信息采集方式为主的,通常被分为非侵入式、半侵入式、侵入式三种形式。
其中非侵入式,一个经典的思路是脑电图(EEG)——在清华等高校的实验室里,你甚至可以申请成为志愿者,戴上“脑电帽”做些简单的操作。非侵入式由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高。
侵入式脑机接口,如马斯克的Neuralink所展示的,此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,取得直接的、高质量的神经信号。侵入式脑机接口的核心问题之一,是如何尽量避免大脑创伤。Neuralink的科学家在近期接受《纽约时报》采访时也说,未来希望可以用激光束穿过头骨,而不是钻孔。
这需要材料学的突破、精准的机器操作、生物学、神经科学以及机器学习等多学科的合作,不可有短板。
就马斯克这次发布的产品而言,其中一个突破就是材料学,即细且具柔性的“线”(thread)。这些线的直径大约30-40微米,而头发直径一般是80微米左右。因为大脑是会在头骨中移动的,而柔性的线可一定程度上避免脑部受损。
再比如,发布会的另一个亮点,就是将“发丝”精准送入大脑的“缝衣机器人(sewingmachine)”。它本质上更接近于一台配备了很多影像捕捉设备的高精度机床。十秒之内一气呵成完成数个步骤,从激光打孔到插入电路。
复杂交叉学科的另一面,是宽广的赛道。IDG资本多年以来一直关注高端制造,以及新一代技术在医疗、教育及娱乐领域的应用。
图 | 硅谷live

作为一种全新的输入输出方式,脑机接口的应用也将横跨数个行业领域。甚至有人认为,脑机接口操作系统也极有可能成为继Windows(电脑操作系统代表)、iOS(手机操作系统代表)、Alexa(语音操作系统代表)后又一大人机交互系统。
据业内第三方统计,从狭义上讲,即从脑机接口设备(EEG/EMG)的维度来看,市场规模在5年内将达到25亿美元。
广义上,从脑机接口将深度影响的数个科技领域来看,市场规模在5年内将达到数千亿美元,其中包括但不限于:ADHD脑机接口反馈治疗460亿美元,大脑检测系统120亿美元,教育科技 2500亿美元,游戏产业1200亿美元。

半导体与AI催熟脑机接口,读懂大脑还需要脑科学


人脑与AI交互的核心问题是“带宽”问题,也就是信息传递的性能问题。Neuralink的宗旨也直指这一点——“开发连接人类和计算机的超高带宽脑机接口(Developingultra high bandwidth brain-machine interfaces to connecthumans and computers)”。
尽管这次发布会透露,目前Neuralink已成功将脑机接口的电极数目增加了30倍,可以运送更多的大脑意念成为信号。但和人类大脑860亿个脑细胞相比,这仍然是“小巫见大巫”。
如何获得860亿个神经元的信息,并将其从模拟信号,转化为计算机可以理解的二进制信号,这是半导体芯片在脑机接口中,所扮演的一个重要角色——在Neuralink的计划中,一枚4毫米见方的N1芯片在系统中起到了举足轻重的作用,这枚芯片可以连接多达1024个电极采集数据。

半导体芯片作为数据时代的底层基础设施,是算力的基础,也是突破不同维度信息转化的关键。IDG资本十几年前开始在全球布局半导体领域,投资覆盖IC设计、IC设备等细分领域。IDG资本被投企业“中微公司”刚刚成为科创板首批上市交易的公司之一,“晶晨股份”已在科创板过会并开启申购。未来,IDG资本将持续在全球范围内投资有潜力的半导体企业,利用IDG资本的专业性与资源帮助企业迅速成长,并结合并购搭建全球化的半导体企业。

另外一个问题则是:
即使科学家能准确采集到大脑工作时发出的信息,如何解读这些海量数据?
近年来,科学家在尝试利用人工智能找出信号与行为之间的相关性。在上述今年4月发表的脑机接口合成语音实验中,一个递归神经网络(RNN)被用于神经信号的解码。事实上,人工智能非常适合用于从海量信息中找到统计学上的规律。人工智能也是IDG资本重点看好的领域之一。

但大脑为什么会被欺骗?人类为什么会产生悲伤或喜悦的情绪?类似这样的问题,还需要从脑科学研究中寻找答案。

“人类多年的发展并没有解决大脑和宇宙这两件事情”,这是盛大集团董事长陈天桥投资大脑科学的初衷。脑部是人类的神经中枢,是人类最重要的器官。但人类对大脑的认知,还只是冰山一角。
就在马斯克成立Neuralink的那年年底,陈天桥及夫人向加州理工学院捐赠1.5亿美元成立脑科学研究中心。
这项计划将帮助科学家和研究人员深入大脑的研究,探索大脑基础层面的运作机理,以及由于疾病和衰老而导致大脑运作失灵的原理。
而早在2000年,美国数据集团创始人麦戈文夫妇向美国麻省理工学院(MIT)捐款3.5亿美元,成立了麦戈文人脑研究院。这个研究院致力于提高人类交流水平,专门研究人脑的工作机理及相关疾病,包括孤独症、帕金森氏症、精神分裂症、语言障碍等。在IDG资本的建议与安排下,中国的三所IDG/麦戈文脑科学研究院(清华大学、北京大学、北京师范大学)先后成立。
世上有马斯克式的先行者,也有埋头基础科学的奠基者。至少在商业化阶段到来前夕,这仍是一片美妙的非零和博弈世界。
最后,想引用赛博朋克之父威廉·布吉森早在1984年的《神经漫游者》中,就预言了大脑插入外接储存条,意识将被接入电脑网络等,也说到了身体延伸的最后的结果——人和机器的终极融合。
小说结尾,有一句经典的话:“无所在,无所不在。我就是一切的总和,是全部的全部。”

来源:IDG资本

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