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新闻特写 2023年11月8日 大脑阅读技术的兴起:你需要知道什么 随着植入设备和商用耳机的发展，现实世界会有什么影响？ 利亚姆·德鲁
因中风而瘫痪的Ann使用脑机接口将大脑信号转化为化身的语言和动作。信用:诺亚·伯格 在加州旧金山的一个实验室里，一位名叫安的女士坐在一个巨大的屏幕前。上面有一个看起来像她的头像。多亏了脑机接口(BCI)，当安想说话的时候，化身会替她说话——而且还是用她自己的声音。 2005年，一次脑干中风使安几乎完全瘫痪，不能说话。去年，加州大学旧金山分校的神经外科医生张智威在安的大脑表面放置了一个由250多个电极组成的网格，位于曾经控制她的身体、面部和喉部的区域之上。当安想象说出某些单词时，研究人员记录了她的神经活动。然后，利用机器学习，他们建立了与每个单词和面部动作相对应的活动模式，如果可能的话，安会用这些活动模式来发声。 该系统可以以每分钟78个单词的速度将语音转换成文本:这是对BCI之前成果的巨大改进，现在已经接近常规语音每分钟150个单词的平均速度。张说，与两年前相比，“就像白天和黑夜一样”。 在一个额外的壮举中，该团队对化身进行了编程，以安的声音大声说话，其输出基于她在婚礼上的讲话录音。“这对安来说非常激动，因为这是她近20年来第一次真正感觉到自己在说话，”张说。 这项工作是2023年的几项研究之一，这些研究提高了对植入式脑机接口的兴奋度。另一项研究2也以前所未有的速度将神经活动翻译成文本。今年5月，科学家报告说，他们已经在一名自行车事故中瘫痪的男子的大脑和脊髓之间建立了一座数字桥梁。一个BCI人解码了他移动的意图，并引导一个脊椎植入物刺激他腿部的神经，使他能够行走。 “有很多的能量，这是超级令人兴奋的，”张说。“我认为我们将在未来五年内跨越一个非常重要的门槛:从原理证明走向新疗法。” 该领域的公司也在大步前进:9月，企业家埃隆·马斯克(Elon Musk)创办的神经技术公司Neuralink邀请瘫痪患者自愿成为其植入式BCI的首批接受者。 然而，将脑机接口商业化的探索仍处于起步阶段。到目前为止，系统是为个人定制的，但商业化将需要强大、可靠和安全的脑机接口，并且可以扩大规模。BCI公司Synchron的首席执行官汤姆·奥克斯利说:“你不可能让每个BCI患者的家里都有一个博士工程师。” 随着植入设备的进步，一个平行的可穿戴大脑阅读设备的商业生态系统正在增长。这些设备以比植入设备低得多的分辨率测量用户的大脑活动，以潜在地增强精神健康、生产力或睡眠，或者改变人们与计算机的交互方式。 这些进步共同加速了引导和管理神经技术的努力。例如，本月，联合国教科文组织(UNESCO)的成员国将投票决定是否为这项技术的使用制定国际指导方针和政策建议。 随着进步成为头条新闻，并不缺乏宏大的主张。旧金山面向消费者的生物信息学公司EMOTIV将其团队描述为“人类体验的解码器”。2020年，马斯克告诉播客乔·罗根，Neuralink的BCI“原则上可以修复大脑的几乎任何问题”。 “我们需要有更多的对话，”张说，“并试图减少炒作，把重点放在真正相关的事情上。”解码大脑 所有的大脑读取技术，无论是植入物还是耳机，都基于相同的基本原理:它们记录与语音或注意力等功能相关的神经活动——通常是电活动；解释该活动的含义；并使用它来控制外部设备或简单地将其作为信息提供给用户。 植入的脑机接口比外部的记录更多信息丰富的大脑信号。但是，这些实验设备只打算给那些潜在的临床益处大于风险的人使用，例如，脑损伤或感染。只有大约50人长期接受了这种移植。
一名与会者在北京的一次会议上展示了一款脑机接口耳机。鸣谢:王玉国/新华社/eyevine 大多数戴在头皮上的设备使用一种称为脑电图(EEG)的常见方法来检测穿过头骨的微小电场，反映了分布在大脑大量体积上的数百万神经元的平均放电。 脑电图通常在临床上用于监测癫痫和睡眠，在实验室中用于研究一系列大脑功能。商业努力集中在使用EEG信号来监测心理状态，如专注、冷静、激动和困倦。 面向消费者的公司还没有创造出一款“杀手级应用”——一款如此受欢迎以至于销量急剧上升的应用。但是对于植入设备来说，一个诱人的应用是显而易见的:帮助瘫痪患者恢复交流或自主。 改进植入物 许多公司正在开发和商业化植入的脑机接口。离诊所最近的是五家美国公司:NeuralinkSynchron犹他州盐湖城的贝莱德神经科技公司；德克萨斯州奥斯汀的跳伞运动；和纽约曼哈顿的精密神经科学。中国也在这一领域进行了大量投资，欧洲公司正在崛起。 Blackrock Neurotech、Paradromics和Neuralink开发了穿透大脑皮层的电极系统，以记录单个神经元。Paradromics的首席执行官马特·安格尔(Matt Angle)表示，学术研究表明，记录的神经元越多，解码思维的速度就越快、越准确。 来自Blackrock Neurotech和Paradromics的接口是由数百个僵硬的直电极组成的网格，多个阵列可以植入一个人体内。19年前，Blackrock Neurotech的阵列首次被长期植入人体4，此后一直是BCI研究的支柱。Paradromics的阵列正在绵羊身上进行测试。 Neuralink的植入物——迄今为止在猴子身上进行了测试——由多条长而柔韧的聚合物线组成。这些电极包含许多记录点，比刚性电极阵列植入皮层更深。 相反，Synchron和Precision神经科学使用位于大脑表面的电极，如Chang研究中部署的电极。Precision Neuroscience的联合创始人本·拉波波特(Ben Rapoport)说:“我们的整个理念是围绕着不损伤大脑的微创电极部署。他说，这包括能够轻松移除它们。 Synchron的BCI仅包含16个电极，与追求更大带宽的趋势背道而驰。它被称为支架电极，是血管支架和电极阵列的混合体。它是在没有神经外科手术的情况下植入的，通过将设备向上推过颈静脉，直到它位于大脑运动皮层下方的血管中，大脑运动皮层是决定一个人移动意图的区域。 stentrode的低带宽无法解码思想，但它使用户能够控制智能手机——这是autonomy5的潜在变革性收益。“你必须选择你要优化什么，”奥克斯利说。 在它们之间，这些公司是早期临床活动的聚集地。今年，Neuralink获准开始对其设备进行人体试验；Precision Neuroscience首次在人类身上测试了它的电极(在切除脑瘤的手术中记录了15分钟)。这五家公司现在都从美国美国食品药品监督管理局(FDA)获得了突破性设备状态，这是获得临床批准的快速途径。 Synchron最有可能获得批准。今年，第十名也是最后一名志愿者加入了该公司的初步可行性研究，其中重度瘫痪的人正在家中使用Synchron的系统。9月，该公司实现了一个目标，即在没有Synchron工作人员帮助的情况下，让一个新植入stentrode装置的人按照软件指令设置BCI。其他四家公司希望在未来几年进行可行性试验。 Tim Denison是英国牛津大学的一名工程师(曾为Synchron提供咨询)，他在神经技术领域工作了20年，经常专注于将大脑刺激作为神经精神疾病的一种治疗方法。丹尼森说，如果设备可以识别疾病的迹象或康复的迹象，大脑阅读的进步可以在指导治疗刺激方面产生巨大的差异。 但是丹尼森的长期经验使他很谨慎。在某些情况下，“我有很高的期望，但技术没有实现”，他说，“这非常令人羞愧。” 他强调，让设备变得可靠、实用、价格合理，对于它们的成功来说，与科学进步一样重要。丹尼森说，鉴于世界范围内神经外科医生的稀缺，Neuralink所做的最有意义的事情之一就是创造一个通过手术植入其设备的机器人。 消费者焦点 非侵入式消费者大脑读取耳机的开发者面临着一系列不同的障碍。当前的商业生态系统由一些相对成熟的小公司、数十家初创企业和大型科技公司的各种研究部门组成。 “消费者神经技术的三大限制是它们采取的形式、它们提供的应用和你可以从中获得的信号质量，”北卡罗来纳州达勒姆杜克大学专门研究该领域的法律学者妮塔·法拉哈尼说。 尽管在受控的实验室条件下取得了一些成功，但脑电图无法解码用户的想法。虽然一些产品——尤其是游戏产品——使用脑电图来控制外部技术，但目前这是一个相当缓慢而费力的过程。 脑电图更擅长给出一个人心理状态的大致指示。在不同的状态下——比如睡眠或专注的工作——神经元放电倾向于合并成不同频率的振荡波。例如，睡眠是由慢δ波定义的；弛豫与中间θ波有关；用更快的α波吸引注意力。 许多应用程序旨在通过某种形式的界面，让用户有意识地意识到自己的大脑状态，以帮助他们改变这种状态。 几家公司提供脑电图传感产品，如头带、耳机或耳塞，他们说这些产品可以将用户推向更深的冥想状态，或帮助人们进入更专注、更有效率的状态。2022年，利物浦足球俱乐部宣布，总部位于波茨坦的德国神经科技公司Neuro11已经帮助俱乐部的球员学会在压力情况下达到冷静、专注的状态，并帮助他们的表现——尽管研究人员警告说，这种干预可能会产生很大的安慰剂效应。
效力于利物浦足球俱乐部的Trent Alexander-Arnold在训练期间戴了一个可以检测脑电活动的耳机。鸣谢:Jon Super/AP Photo/Alamy 一些产品旨在直接操纵脑电波，希望改变一个人的精神状态。安德鲁·杰克逊(Andrew Jackson)是英国纽卡斯尔大学的神经科学家，他与人共同创立了Neudio，这是一家初创公司，使用一种算法来记录用户的脑电图，并实时生成合成音乐，旨在控制大脑活动，以诱导放松或专注。例如，其他公司也在使用类似的方法来提高睡眠质量。 但法拉哈尼怀疑这项技术将成为其他用途的主流。“我认为真正让神经接口无处不在的是用它们来取代现有的外围设备——以及虚拟现实和增强现实。” 法拉哈尼说，Meta和苹果等公司已经推出了包括眼球追踪技术的耳机，这预示着向更沉浸式计算体验的转变。7月，苹果公司获得了一项专利，将脑电图传感器纳入其耳塞，称为Airpods。 关于消费设备可以记录的EEG信号的质量(尤其是当用户移动时)以及这将如何限制应用，仍然存在重大问题。但是这些技术不仅仅意味着增强个人计算体验的新方法。他们提出了一个问题:某人的大脑数据——甚至他们的精神隐私——是否会被商品化。 出售避难所 随着大脑读取神经技术的加速发展，伦理学家和监管者越来越多地询问这些设备会带来哪些独特的风险。“大脑不仅仅是身体的另一个器官；它是产生人类思维的器官。这应该是我们身份的避难所，”纽约市哥伦比亚大学的神经学家拉斐尔·尤斯特说。“你需要保护这一点，你不能就这么进去，然后开始银行业务并出售大脑数据。” 植入式医疗技术可能会引发伦理问题。例如，鉴于人工智能(AI)软件有助于将用户的大脑活动转化为决策，因此存在关于用户能动性和罪责的问题。同样不清楚的是，如果植入物的制造商停止运营，人们会发生什么。但普遍的观点是，现有的医疗法规可以在很大程度上指导技术的开发和使用。然而，法拉哈尼说，对于消费设备，目前的法规留下了令人担忧的空白。 法拉哈尼在3月份出版的《为你的大脑而战》(The Battle for Your Brain)一书中描述了在中国，如何使用美国软件公司BrainCo生产的脑电图耳机监控学生的注意力，以及多个国家的某些雇主如何监控他们的员工。道德因情况而异:这种跟踪对于注意长途司机何时变得昏昏欲睡可能很有价值，但如果雇主使用该技术来监控员工的注意力水平，就更棘手了。 批评者认为，关于脑电图揭示个人私人想法的能力的一些说法有些言过其实，从人们的在线行为中收集的数据更能揭示问题。然而，尤斯特在公开行为和私人心理活动之间划出了一条清晰的界限。他表示，人工智能解码和非侵入性硬件的快速进步“让保护精神隐私的斗争变得更加紧迫”。 尤斯特和法拉哈尼认为现有的人权条约需要更新，以保护公民免受神经技术的滥用。尤斯特倡导一种被称为神经权利的新权利——他说，这将保护精神隐私；防止改变人格的操纵；警惕神经技术背后的算法偏差。 法拉哈尼主张更广泛的“认知自由”权利——保护人们免受神经技术和一系列可能操纵人们思想和行为的数字技术的影响。 多个组织正在探索如何监管神经技术。自2019年以来，联合国教科文组织、经济合作与发展组织和英国监管视野委员会各自发布了建议或报告。本月在联合国教科文组织的投票将决定该机构是否应该为神经技术治理制定一个广泛的国际框架。 但是伦理学家最终希望看到原则被载入法律。一个解决办法是修改国际人权条约；联合国人权理事会在八月开会讨论神经技术。 智利是目前唯一立法保护神经权利的国家。2021年，它改变了自己的章程，以防止神经技术的有问题的使用。今年，最支持神经权利的参议员吉多·吉拉迪(Guido Girardi)在智利最高法院成功起诉EMOTIV，指控他进口并使用了该公司的一种设备，违反了该国关于收集和使用神经数据的规定。 在其他地方，巴西、墨西哥、西班牙和澳大利亚政府正在讨论如何为神经技术立法。 法拉哈尼感到鼓舞的是，与监管社交媒体和人工智能的尝试不同，这些技术只有在大规模使用后才会发生，关于神经技术的对话发生在临界点之前。“在国际上，人们似乎关心如何正确和合乎道德地做这件事。” 自然623，241-243 (2023)doi:https:///10.1038/d41586-023-03423-6 |
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