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隔空取物的“意念控制术”,这不是科幻|黑科技拆解

2020年11月04日 00:30:13 浏览:53742次 来源:赛先生 供稿
撰文 | 李雷(中国科学院生物学博士、助理研究员)

        2020年8月末,特斯拉汽车创始人埃隆·马斯克召开了一场新闻发布会。在会议上,马斯克展示了三只植入脑机芯片的小猪,人们可以通过显示器来观察猪的脑电波活动,并预测其行为。

通过植入的芯片可以观察小猪的脑电波活动

        马斯克的直播吸引了全球15万人的关注,人们纷纷讨论,这种可以读取小猪大脑信号的脑机接口技术到底发展得如何了?未来会因此有哪些改变?

        其实,在业内人士看来,马斯克这场发布会更多像是一场演示给观众的表演,而真正核心的脑机接口技术,并没有比此前推进太多。


图片来自ellines.com

        早在2014年,脑机接口就有了真实的应用。在2014年6月12日圣保罗举行的巴西世界杯开幕式上,一个下身瘫痪的巴西少年,依靠大脑控制机械骨骼的运动,顺利开球,让全球都目睹了这史诗级的一刻。而创造这一奇迹的,就是米格尔·尼科莱利斯(Miguel Nicolelis),美国杜克大学医学院神经生物学教授、法国科学院院士、巴西科学院院士、畅销书《脑机穿越》作者、2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者。


站在脑机接口领域巅峰的人

        为了让瘫痪者重获新生,尼科莱利斯教授成为国际“再次行走计划”的负责人,并将自己的研究成果在巴西世界杯开幕式上进行了应用。

        他们首先用植入头皮或大脑的电极来探测大脑的活动,随后将这些信号传输给佩戴者身上的电脑,再用电脑解析这些信号并将其转换为运动指令。接下来,他们又为这位瘫痪少年设计了机械金属支撑结构的外骨骼,来驱动少年的下肢。这样一来,瘫痪少年的意念就能通过整套装置传输到机械战甲上,驱动机械战甲运动,最后成功开出这一球。



        这一幕被全球数十亿人观看,引发了热烈的全民讨论。尼科莱利斯教授用实践告诉所有人,他,是站在脑机接口这个领域的世界巅峰那个人。他被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一,其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。

        那么,脑机接口是什么?尼科莱利斯教授又是如何在这个领域深耕的呢?

        所谓脑机接口(brain-computer interface,BCI),顾名思义就是大脑与外部设备之间进行直接的连接,实现大脑与设备的信息交换。就像大脑可以控制我们四肢和全身的活动一样,脑机接口的目的就是通过大脑来控制外部的其他设备,比如上面提到的机甲等等。

        尼科莱利斯教授是在这个领域深耕了很多年的专家,他在解读大脑信号上的卓越贡献之一,就是设计研究出更加复杂、覆盖大脑区域范围更大的多电极分布方式来获取神经信号,并把脑机接口的应用水平推到了“完全使用意识控制机器”的前沿。

        在上世纪90年代,尼科莱利斯就用多电极分布的方式在小鼠上实验了神经信号获取脑机接口,成功解读了小鼠的一些大脑活动。接下来,尼科莱利斯将其应用到灵长类夜猴身上,解码了夜猴的大脑活动,并将其通过互联网远程传输到机械装备上,结果在夜猴看不到的地方,机械臂成功重现了夜猴的运动方式。



        有意思的是,他们进一步将其应用到恒河猴上,不过这一次是先把恒河猴和机械臂进行关联,再让机械臂实时模拟猴子的动作。很快,猴子学会了这一套操作,并似乎在某种程度上理解了这种操控。接下来猴子就安静不动了,纯粹依靠自己的意识来遥控机械臂,就仿佛机械臂长在自己身上一样。

        这一研究首次实现完全使用意识来操作机器,可以说开辟了脑机接口实际应用的先河,也为2014年在世界杯上展示的那一幕奠定了基础。

        当然总的来说,目前脑机接口的研究还处于起步阶段,因为核心制约因素在于如何解读大脑的信号。



人类破解大脑的百年计划

        大脑是由无数神经元构成的一个组织,我们日常的一举一动都受到大脑控制。而大脑的控制,以及大脑的思考和动作,本质上是神经元信号在相互作用传递信息。

        神经元彼此之间无时无刻不在传递着电信号,每一个动作都可以形成一个信号,最终形成了我们的意识。我们的每一个动作,每一个思考都会形成非常多的电信号。

        因此,只要我们破解了这些信号的传递过程,那么我们就可以破解人的意识,进一步再把信号转换为我们的机械操作。

        不过,理想是美好的,现实是骨感的。大脑的电信号,无论是复杂程度,还是信号总量,简直是一个天量。哪怕我们简单的动一下手指,皱一下眉头,背后都是无数神经元在活动的结果。因此这些年来,我们甚至没有破解出一个简单动作的所有大脑信号。不过,作为生命医学科学的桂冠,全世界都在密切关注,并愿意为之付出巨大的努力。无论中西,都相继开启了一系列大脑信号破解的项目工程,这些工程被誉为21世纪曼哈顿工程,预计需要100年的时间完成。




        目前初步已经在实施的计划包括:

        1、人类连接组项目(Human Connectome Project)

         这是美国国立卫生院NIH从2009年开始资助的一个5年项目,项目的目的是使用不同的脑成像技术(主要是静息态功能磁共振,弥散磁共振成像,EEG、MEG等作为补充),绘制出不同活体人脑功能、结构“图谱”。

         2、推进创新神经技术脑研究计划(简称“脑计划”)

         2013年4月2日由奥巴马政府公布,该计划旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图,并最终开发出针对大脑疾病的疗法。

         3、人脑工程研发计划

        由瑞士洛桑联邦理工学院教授亨利·马克拉姆牵头,来自世界各地的87个研发团队共同实施。这一项目计划用十年时间,利用计算机制造“活”的人脑模型。具体而言,研究人员需将人类大脑切成8000片,而后利用高性能扫描仪进行数字化处理,绘制人脑详图;同时利用超级计算机描绘和模拟大脑所需的海量数据,最后将成千上万的神经元模型形成局部模型,组装为一个可正常运转的、完整的人类大脑模型。

        4、中国脑计划

        该项目已获国务院批示,并被列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一,将从认识脑、保护脑和模拟脑三个方向全面启动。目前中科院的九个卓越中心里,涉及到生物和医学的唯一中心就是依托上海生科院的“脑科学及智能技术卓越创新中心”。

        尽管彻底完成对大脑信号连接的解读需要耗费数十年甚至上百年,但是并不等于我们需要等到最终完成的那一天。事实上,这些年来,对于大脑信号连接的解读一直没有停滞。

        比如在2013年,科学家利用功能性磁共振成像技术将志愿者睡眠时的大脑活动记录下来,整理出3人睡梦中的一些常见内容,比如树、男人等,并将这些内容分成大约20个类别;然后又与3人清醒状态下见到相似场景时的脑活动相比较,得出每个类别的脑活动特征。

        最终结果是,研究人员开发的电脑程序能学习、识别并破译出这些脑活动特征,准确率高达60%。这是一个非常浅显的、就像我们看小孩子玩泥巴似的实验,但是是一个非常重要的证据,证明我们的大脑活动是可以被理解和解读的。



        可以预期的是,未来随着我们对大脑连接的解读进一步加深,总有一天,我们会彻底破解大脑的秘密。而脑机接口的应用也将会一马平川——未来肢体受损的人,不单单是更换一个假肢,而是一个真正可以用大脑控制的肢体,不仅跟我们自身的肢体一样易用,而且还更耐用且可更替;人类也可以用意识直接来控制更多的机器,比如在发生地震、火灾等灾害的地方,再也不需要消防员亲自进入,而是可以通过专业消防人员的意识,来操控机器来进行灵活的救援。

        显然,这是一个非常值得期待的未来。

注:11月7日,腾讯科学WE大会上,Miguel Nicolelis教授及数位全球顶尖科学家将为大家分享最新科学突破。

本文作者李雷,为中国科学院生物学博士、助理研究员、生命科学和医学领域科普作者。

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