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时间: 2020年03月29日 20:26 | 来源: [记德] | 编辑: 禽汗青 | 阅读: 0658 次

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你还记得巴西国际杯开幕式上那个身着“机械战甲”开球的高位截瘫少年吗?作为一项通向将来的新技能,脑机接口经过这一记开球向全国际得到了成功的展现。6月13日,这套配备的规划者、被称为“机械战甲之父”的美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔.尼科莱利斯带着新书《脑机穿越》中文版来到清华大学,梦想脑机接口这个“just thinking”的将来国际。

机械战甲之父:山公已替人类做好实验,脑机接口将成新的恢复办法

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大脑被接上电极的山公们

在闻名科幻电影《黑客帝国》中,主人公尼奥在虚拟国际中仅经过思想进行沟通。如今“脑机接口”现已挨近咱们多年来的梦想,仅经过大脑意念,就可操控外部国际!

在这项技能的支持下,将来咱们可以用大脑操控计算机,靠意念打游戏或驾驭轿车,乃至也许完结“大脑联网”,然后像尼奥相同经过思想沟通。

假如说,作为万物之灵长——人类的大脑是待解的终极谜题,那么,了解了与人类挨近的动物——山公的思想,是不是会离终极答案更近一步?

在尼科莱利斯的实验室里,最多的即是山公,有的山公可以操作机械手,有的可以玩游戏,有的可以在跑步机上跑步........不过,尼科莱利斯手下最闻名的山公,仍是2003年他所作的“了解山公的思想”这个经典实验的主角。尼科莱利斯在讲演中回忆了自个当年的实验。

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▲米格尔·尼科莱利斯表明,脑机接口技能给咱们知道大脑带来了一个全新的视点。(供图/湛庐文明)

2003年,尼科莱利斯团队把电极阵列植入到山公的大脑中,以检查山公的运动目的。他们将一个屏幕摆在山公面前,屏幕中会出现一个图形,山公用一个操作杆可以操控这个图形移动,这时山公的神经活动会被计算机记载下来。

然后,这些信号经解码后输送到机械手臂,机械臂就仿照了山公的动作,然后操控了图形移动。

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▲猴脑电信号的记载(图像来历http://www.businessinsider.com/monkeys-controlled-wheelchairs-with-their-minds-2016-3)

一段时刻后,这只山公知道到考虑图形就可以移动图形,无需再凭借操作杆。它就抛弃了操作杆,直接经过“思想”进行游戏。这表明,山公知道到了运动神经的才能,而且构成了一个很首要的概念:这些神经细胞的活动知道到了外部的机械臂,并把它当成了自个的一部分。别的,山公会为了操控方针而改动它的神经细胞活动,展现出了极强的大脑可塑性。

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▲“动物英豪”恒河猴运用脑机接口原理图,尼科莱利斯泄漏,完结任务后奖赏它喝果汁,成果山公太精干,喝了太多的果汁(图像来历于网络)

2008年,团队又为一只名为Idoya的山公植入了一个新的电极,电极记载大脑运动皮层和感触皮层的信号,计算机解码后发送到一个双足机器人上,以完结经过山公来操控机器人,这个双足机器人远在日本京都。Idoya可以在面前的屏幕上看到这个名为CB的机器人,并与机器人同步在跑步机上走动。实验发现,Idoya一直在考虑走路时对机器人完结的操控。

一小时后,封闭山公的跑步机,可是山公依然可以持续引导机器人正常行走几分钟,这表明一部分不是操控山公运动反响的运动神经现已可以操控机器人,就像它自个的延伸。尼科莱利斯解说,当山公想要香蕉时,大脑的神经信号就变得彻底不相同了。

经过对山公运动神经的研讨,尼科莱利斯团队做出了较为老练的脑机接口体系,并把这套体系运用于人身上,比方用于辅佐残疾人对假肢的操控。

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▲如今尼科莱利斯团队现已开端研讨让山公用大脑来驾驭了(图像来历网络)

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啥是脑机接口:绕过神经和肌肉的信息通路

看了山公的实验,想必咱们对脑机接口有了必定的知道。脑机接口(brain-computer interface,BCI)是在大脑和计算机或别的电子设备之间树立不依赖于惯例大脑信息输出通路(即外周神经和肌肉安排)的直接信息传输通路。

接口的意思即是人脑与设备之间构成一个中介,简略来讲,即是不需求言语或许动作,人可以直接经过脑来表达主意或操作设备。

尼科莱利斯关于脑机接口这么解说:“咱们的脑电波宣布信号,再把这些信号和机器结合起来,就可以操控人为规划出来东西的活动。而该接口可以完结大脑与有关设备敏捷高效地衔接,不管间隔远近,也不管这些机器的巨细,即便它像航空飞船相同大。”

对脑机接口技能的研讨起始于上世纪七十年代,加州大学洛杉矶分校的J.J.Vidal初次运用了brain-computer interface一词来表明大脑与外界的直接信息传输通路,提出了脑机接口的雏形,因此他被以为是BCI的发明者。

脑机接口的完结路径则可以追溯到上世纪二十年代脑电波(EEG)的研讨,脑电波图与脑部疾病的联系研讨为大脑活动研讨供给了也许性。1988年初次报告了用脑电α波信号操控移动机器人,现在这种无创的脑电波收集办法恰是完结脑机接口的最首要办法之一。除此之外,还有脑磁(MEG),功用磁共振(fMRI)、功用性近红外光谱(fNIRS)以及有创的皮层脑电(ECoG)、神经元集体记载等信号收集技能。

▲脑机接口技能开展简史(图像来历:futurism.com翻译:硅谷live)

脑机接口是一门触及多个范畴,包含神经科学、计算机科学、运用数学、生物医学工程、临床医学、心理学等等的交叉学科。所以受限于技能开展,脑机接口直到20世纪末才真实的迅速开展起来。现在,脑机接口研讨的首要会集在听力、视觉及运动神经受损的恢复,尤其是关于协助严峻的残疾病人(如脊髓侧索硬化、脑干或脊髓损害)恢复操控才能。

尼科莱利斯说,经过虚拟现实和外骨骼体系,大脑经过一点点纤维活动可以跟外部的肌肉之间从头树立衔接,而且大脑的安排办法也发生了改动。不只能感触运动,乃至可以排尿。“一位残疾的女士乃至决议从头怀孕,由于有了这个体系以后,她可以感遭到自个的孩子。有这个体系以后,这位女士差点儿可以天然出产,由于出产要感知到压力和用力,可是由于别的一些病症,骨髓硬化等因素,终究剖腹产。”

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脑机接口分为侵入、半侵入和全侵入

那么脑机接口是怎么完结的呢?完结悉数技能的大约过程是:把经过各种办法收集到的大脑信号先进行信息剖析和解码处理;然后再将其从头编码,怎么编码取决于期望完结的工作。终究,也是最杂乱的一步,把取得的环境反响信息如视觉、触觉、听觉等再效果于大脑。

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▲脑机接口方法通常以信息收集办法为主区分:通常被分为侵入式、半侵入式、非侵入式(脑外)(图像来历:futurism.com翻译:硅谷live)

在上述区分中,侵入式和半侵入式都需求施行手术,不可避免地对动物体或人体形成损伤,非侵入式脑机接口本来即是一套可穿戴设备,尽管避免了贵重而风险的手术,可是由于颅骨对信号的衰减效果和对神经元宣布电磁波的涣散和含糊效应,记载到信号的分辨率并不高。

清华大学医学院生物医学工程系洪波教授洪波在讲演后的圆桌会上也表明,尼科莱利斯本来的实验室工作基本上都是植入式脑机接口,可是这些年的工作都是无创的脑机接口,“这说明经过这儿多年,做植入式脑机接口仍是很艰难的。由于你植入这么多电极,这些神经是不死的,会有反响的,会包裹电极,把信道下降。”

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从猴到人,高位截瘫少年身着“机械战甲”开球

2014年的巴西国际杯开幕式,年仅14岁的高位截瘫少年,身着“机械战甲”,完结了用大脑操控下肢运动,终究完结了开球,可以说对错侵入脑机接口可穿戴设备的一次成功展现。尼科莱利斯也因此被誉为“机械战甲之父”。

值得一提的是,这位少年鞋子上的传感器能感遭到地上状况然后经过电影响的办法返回到病人的上肢,不相同的地上(草地、陆地),给予不相同的电流让他感遭到了不相同地上状况。大脑可以学会了解这种感触,就像真的触觉到地上相同。

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▲2014年,截瘫青年朱利亚诺·平托头戴非植入式脑电信号电极头盔,身着“机械战甲”,依托脑机接口体系为巴西国际杯开出了第一球(图像来自网络)

这也是尼科莱利斯团队的另一个非常首要的工作——“从头行走”项目。他们凭借脑机接口技能,让一位高位截瘫病人经过操控外骨骼体系从头行走,而且操控肢体的反响能回到大脑,病人可以感遭到外部的触觉。这么的技能可以让病人自动参加到本身的恢复过程中来,效果远好于传统的被动式恢复。

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将来脑机接口运用范畴多元

脑机接口在人方面的运用,最早是对视觉神经的辅佐。早在1978年,美国生物医学研讨者William Dobelle就经过神经外科手术将68个电极阵列植入到一位后天失明的残疾人视觉皮层中,眼镜上设备一个小型照相机将信号发送到一台无穷的计算机以解码,终究他成功地感遭到了光的感触。就这么,视觉脑机接口最早完结了商业用途。

在神经修正方面,与脑机接口附近的神经假体技能运用最为广泛,例如人工耳蜗。两者本质上附近,仅仅神经假体更倾向于神经的相连,而脑机接口是指与大脑直接相连,两者的方针共同,都是协助病人恢复神经体系。

完结信息沟通与操控一直是脑机接口的开展方针之一。最闻名的比如即是霍金,他是肌萎缩性脊髓侧索硬化症病人,有相对完好的思想才能,但丧失了对肌肉和外周围神经体系的自立操控才能,因此不能有用地向外界表达自个的主意。这时运用脑机接口技能,将他脑中所想的信息转换成可辨认的活动目的,完结信息表达。

▲霍金没有依托脑机接口沟通,但“意念”沟通仍是脑机接口将来趋势(图像来历于网络)

运用在这方面的脑机接口通常分为两类,一类是根据自觉脑活动的脑机接口,如梦想运动,这也更挨近科幻电影中的用大脑操控物体。现在现已完结对轮椅、遥控器、假肢等物体的操控,缺陷是这类脑机接口的信息速率相对较慢,辨认一次梦想运动需求数秒的时刻。

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▲用意念操控机器人(图像来历:BrainCo)

第二类是根据诱发脑活动的脑机接口,待表达的高档思想活动目的别离用不相同的外部事情(如不相同空间方位出现的图形、不相同频率的声响等)进行表明,人经过留意特定的外部事情序列以完结目的的表达。

例如,运用于字符输入闻名的P300脑机接口即是输入字符后,运用不相同方法影响出现(如单个字符闪耀、色彩改动等),人的留意力会会集在方针字符上,大脑对方针的呼应约为300ms,完结了更快的思想活动状况辨认。这也是P300姓名的由来。现在,清华大学和中科院半导体所进行的视觉编码脑机接口现已可以做到每分钟输入10个单词,挨近了有用水平。

▲P300脑机接口字符输入(图像来历网络)

除了辅佐残疾人的自动式脑机接口运用,在这些研讨中不断堆集的经历逐步开展出了被动式脑机接口,研讨出一些列精确、可靠地实时思想活动状况辨认算法,用于辨认人自动建议的特定思想活动,也可用于辨认和接连监测人的各项根底认知功用状况。

例如,辨认飞行员等特别工作岗位人员的认知负荷、疲惫程度等,为安全工作供给了有用客观地数据。这类脑机接口的开始研讨现已延伸到了媒体(观众心情体会)、教学(学习反响)、乃至电子游戏的体会上,运用远景非常广泛。

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扎克伯格、马斯克都进军脑机接口

现在,跟着科技进步以及现在一些商业巨子的介入,脑机接口已然变成一个热门话题。但是这些炫酷的技能能完结吗?咱们在梦想将来时,也应当看到现在的研讨水平有限,大热的脑机接口是不是仅仅商业模式上的“画饼”,咱们还应理性对待。

Facebook提出了完结“读心术”,像科幻电影中仅运用脑电波进行沟通,他们预备将脑机接口的言语输入提升到每分钟100字,一起创造商用设备。

特斯拉与SpaceX的创始人埃隆·马斯克则树立了“神经织网(Neuralink)”公司,旨在将人工智能直接植入人类大脑皮层,然后进步人类智能,但这种办法的安全性也遭到极大的质疑。

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▲Facebook创始人马克·扎克伯格对脑机接口显现出了极大的爱好,但也有科学家以为,交际媒体、亿万富豪应当运用资本处理更首要的医疗和科学疑问(图像来自网络)

但是这些炫酷的技能能完结吗?咱们在梦想将来时,也应当看到现在的研讨水平有限,大热的脑机接口是不是仅仅商业模式上的“画饼”,咱们还应理性对待。

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脑机接口仍面对技能难题和道德争议

将来是夸姣的,但也要看到咱们现在对大脑了解还不多,很多的神经信号无法解码,高档知道状况难以数字化,研讨背面还有一系列工程技能疑问。中科院半导体所研讨员王毅军表明,Facebook每分钟100字的方针难以完结:“由于他们是要解码言语中枢的神经信号,离真实的技能化还有很大间隔。”

除了信号解码难度极大外,收集办法也面对着疑问。有创的,或半植入式的脑机接口更像一把双刃剑,它可以供给非常好的信号质量,解码更丰厚的神经活动、辨认速率也更高更精确,但一起面对手术传染、长时刻运用生物兼容性等疑问,当然还有更实践的工程疑问、如带宽、供电等。

美国脑科学方案完结一起记载1万个前驱细胞活动的技能,清华大学生物医学工程系洪波教授表明,如此密布的电极插入会损坏近一半的细胞,解码大脑的悉数信息也仅是理论上的。明显,在收集信号方面,不管是有创无创,进步质量保证安全都是将来脑机接口要完结的方针之一。

一起,脑机接口一直以来存在的道德疑问也存在争议。假如脑机接口将来可以读取知道,必定发生一系列的疑问:脑机接口是不是可以彻底代表人的理性思想?是不是会使大脑进行改动?假如某个人运用脑机接口在你毫不知情的状况下,彻底侵入并了解你的思想,就不是单纯的隐私性疑问了。

参考文献:

[1]张丹,李佳蔚.探究思想的力气:脑机接口研讨现状与展望[J].科技导报,2017,35(9):62-67.

[2]孙进,张征,周宏甫,等.根据脑机接口技能的恢复机器人总述[J].机电工程技能,2010,39(4):13-16.

[3]Bozinovski S,Sestakov M,Bozinovska L.Using EEG alpha rhythm to control a mobile robot[C]//Engineering in Medicine and Biology Society,1988.Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE.IEEE,1988:1515-1516.

[4]Carmena J M,Lebedev M A,Crist R E,et al.Learning to Control a Brain–Machine Interface for Reaching and Grasping by Primates[J].Plos Biology,2003,1(2):E42.

[5]Greenemeier L.Monkey think,robot do[J].Scientific America,2008,15.

[6]http://www.nicolelislab.net/

[7]https://futurism.com/facebook-just-released-details-on-their-brain-computer-interface-heres-the-main-points/


(禽汗青编辑《[记德]》2020年03月29日 20:26 )

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