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真正的人机结合,脑机接口的潜力有多大?

2020-12-09  全球风口

本文选自 6 月 1 日《前哨·王煜全》前哨团系列


杜乾,纽约州立大学上北医学院博士生,在神经科学和认知科学领域有深入研究。

脑机接口,即实现生物脑与机器互联沟通的技术。 

无数科幻电影小说,从上世纪的《黑客帝国》到仍在热播的《黑镜》,所谓用“意念”控制外物、与他人分享思维与记忆、甚至完全生活在另一处靠大脑想象的虚拟世界中,依靠的核心技术,都是脑机接口。

脑机接口是实现未来诸多科技设想所绕不开的技术,也是神经科学中离应用转化最近的领域,因而值得创业者和投资人关注


脑机接口技术是用来解决什么问题的? 

若将大脑的功能粗略分类,可以概括为感知世界(如视觉听觉等感官)、肢体运动(如四肢运动、眼动、说话等)以及其他更加内源性的功能(如决策、记忆、情绪等)。

除了大脑这个“中央处理器”,为了实现感觉和运动功能,神经系统还需要如视网膜这样的探测器 、神经肌肉接头这样的效应器 、以及脑干脊髓这样连接大脑与外周探测器效应器的链路系统。

在许多疾病和意外中,遭受损伤的多是外周的探测器效应器和链路系统,而大脑的正常功能并未受影响。此时,如果用人工假体等替代原有受损部位的功能,并与大脑连接起来,这些运动与感觉功能的缺失将会被重建。

不难看出,这其中的难点在于如何与大脑连接,如何用大脑听得懂的语言向其发送信息,又如何解读大脑传递出的信息, 而这就是脑机接口技术所要解决的问题。此外,除了对感官和运动的重建,任何由外源设备对大脑信号的干预或解读, 都是脑机接口技术。


脑机接口大体上可以分为读取型与刺激型,以及侵入式与非侵入式。 


读取型脑机接口读取、解码神经信号,主要应用在对运动功能的重建。


刺激型将人工假体所探测到的信号编码写入神经系统,主要应用在感觉重建。


此外,也有既可读取又可写入信息的双向脑机接口 ,除了可以实现运动与感觉之间的相互反馈,还可以干预更多脑功能,如对记忆的储存和增强。 脑机接口领域的绝大部分研究工作是针对读取型接口展开的, 因为问题复杂度更低,未知伤害更小,信号采集和算法工具更多,更易于开展动物实验等等。


侵入式脑机接口将记录与刺激设备直接接入大脑皮层甚至大脑深层核团,需要经过开颅安装的手术过程。


非侵入式脑机接口不需要实施创伤性手术,佩戴电极帽或借助一些影像设备即可完成。

由于上述安全性和技术难度的原因,过去商业化的产品绝大多数都在读取型非侵入式的范畴内。但近些年开始,越来越多的创业公司向侵入式、刺激型以及高级脑功能方向进军,而非侵入式接口也在不断提升其精确性,众多新技术正在破土而出。

侵入式读取型脑机接口


若论最先进的脑机接口技术,那一定是在侵入式运动型(读取型)的范畴。 侵入式所带来的高精度优势、信号处理与机器学习领域已积累的强大工具,以及十几年来大量的科研工作,使得侵入式运动型脑机接口可实现的脑机互动的复杂度远超其他类型。

虽然我们早已实现通过侵入式接口将运动皮层的信号解析为外部设备的指令,但这项技术尚未走进大规模的临床应用。原因有几点:


首先此技术中,高复杂度的信号分析对信道数目、信号保真度、信息传输率、供电等要求都较高,所以无线传输信号尚不可行。这就使得应用该技术时,患者会头顶一把导线,并有开放性的创伤。这很大程度上局限了这项技术目前只能在实验室中使用。


其次,要达到上述的运动复杂度和速度,患者和机器间的适应通常要经过一个较长的训练周期,才能将其中关键的算法参数调试到较优值。


其间还需要科研团队、外科医生和患者之间密切的合作,时间、人力和经济成本都非常巨大。


侵入式读取型接口虽然目前尚无完整的、包括了信号采集和解码算法的成套商业化产品, 但第一步脑电信号采集所需的硬件系统 ,已经有了领域认可的较为标准化的产品,那就是大名鼎鼎的 BrainGate。近年来的几项突破性进展中,都可以看到它的身影。

侵入式刺激型脑机接口


侵入式刺激型脑机接口的主要应用包括帮助残障人士视觉、听觉、触觉的感官重建,以及对非正常神经活动进行干预,以治疗帕金森、癫痫等疾病的脑深部刺激。 

这个领域中最成功的技术其实大家并不陌生,那就是人工耳蜗。人工耳蜗是目前应用最广泛的脑机接口,截至 2012 年,全世界已经有 32 万人接受过植入,FDA 更是早在 1980 年和 2000 年就通过了成人和儿童用人工耳蜗的植入许可。然而人工耳蜗的成功并不能说明刺激型脑机接口技术的成熟,相反,这个技术刚刚起步。

人类听觉系统对声音的编码相对简单,耳蜗中的听觉神经是按照其最敏感的声音频率的高低依次排列的,对相应频率的听觉神经施加相应强度的刺激,已经可以还原出我们大部分的听觉。


与之相反的例子是视觉。人类大脑对视觉的编码非常复杂,我们的感官信息80%来源于视觉,全脑参与视觉信息处理的皮层更是占比过半。而相比运动、记忆等功能缺失,视觉功能缺失的发生率高得多,失去视觉对生活的影响最大。

自然状态中,人类从视觉刺激中获取的信息要繁杂得多,从基本的颜色、远近到高级的情绪、人脸识别等等。如果有一天可以让盲人感知到这些信息, 视觉假体需要能将视觉刺激的特定属性准确传递到视皮层或视网膜的特定细胞群 ,而这些知识我们大部分还未探索清楚,因而可以说刺激类脑机接口的发展才刚刚起步。

从积极的角度看,每一点神经科学知识的积累,都有可能转化为这一类脑机接口进步的空间。


总结


侵入式读取型接口的科研成绩斐然,应用价值极大,虽然还有硬件和数据传输等工程技术有待优化,但距离我们不会太遥远,是脑机接口技术中期发展可以期待的爆发点。

侵入式刺激型接口中,较为简单的脑深层刺激现在正处在热门时期,但涉及更复杂和高级的脑功能重建则还很遥远,瓶颈在于神经科学知识的积累,是脑机接口技术远期发展可以期待的方向。


脑机接口应用价值巨大,但涉及的学科、技术实现多样。希望本文为你打开了一个关注和思考脑机接口的角度,去发现更多脑机接口中有趣的内容。

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