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每经记者专访两位脑机接口领域“大牛” 意念控制前景巨大 走进现实还有多远?

每日经济新闻 2022-01-03 22:08:54

每经记者 文巧    每经编辑 兰素英    

想象一下,无需任何言语,仅靠意念就能控制外界事物,仅与同伴眼神交流就能交换想法——在关于脑机接口(Brain Computer Interfaces)技术的畅想中,这些只存在于科幻小说中的场景都将成为现实。

上世纪70年代,美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔首次提出脑机接口的概念。此后,脑机接口技术不断发展,从使用电极帽用意念驱动光标,到首次将电极植入中风患者大脑,再到成功使瘫痪者进行更复杂的动作,科学家们一步一步跨越壁垒,实现了重大进展。

受访者供图

纵观全球,Meta(原Facebook)、谷歌、亚马逊,以及特斯拉创始人埃隆·马斯克旗下的Neuralink等商业巨头都在积极布局脑机接口领域。如今脑机接口已经发展到了什么阶段?大脑信号如何被检测和解读?“意念控制”离普通人到底还有多远呢?

《每日经济新闻》记者(以下简称NBD)就此专访到两位脑机接口领域“大牛”——国际电气电子工程师协会院士、得克萨斯大学奥斯汀分校电气和计算机工程教授何塞·米兰(José Millán),以及卡耐基梅隆大学生物医学工程教授贺斌。

贺斌领导多项美国国立卫生研究院和国家科学基金会资助的培训项目,其实验室在2013年首次展示人类使用非侵入式脑机接口操纵无人机和控制机械手臂。围绕脑控机器人设计,何塞·米兰在基于脑电图信号的脑机接口领域做出了多项开创性贡献,并因此被评为国际电气电子工程师学会院士以及国际医学和生物工程学院院士。

技术研究尚处早期阶段

NBD:能否向大众介绍一下脑机接口这项技术?大脑传递的信号是如何被机器检测和解读出来的?目前这项技术的研究处于什么阶段?

贺斌:脑机接口是一种将大脑与计算机或外部设备集成在一起的神经技术,主要应用是解码大脑信号并使用解码后的信号来控制设备。大脑“意图”被编码在神经回路中,该神经回路产生小的电信号,信号通过脑组织传播,由传感器(例如植入大脑内部或头皮上的电极)记录。脑机接口研究仍处于其发展的早期阶段,但已经显示出巨大的应用前景。

何塞·米兰:脑机接口是一种可以检测大脑活动的技术,分为侵入式(在大脑内植入电极)和非侵入式(不需要在大脑中植入任何东西)。非侵入式脑机接口从外部检测大脑活动,一种方法是使用心电图,将电极简单地附在人的头部,另一种方法是使用FMRI(功能性磁共振成像)技术。

获得的大脑信号将传递给电脑,再通过信号处理进行转换。我们会应用机器学习和人工智能技术来建立一个关于大脑如何解码不同心理指令的模型,对大脑信号进行解码,这样人的意图就被传递给电脑,电脑再发送给下一级,如轮椅,如此一来就可以移动到任何地方。

NBD:非侵入式与侵入式脑机接口之间有什么区别?当前的研究主要集中在侵入式还是非侵入式?

贺斌:侵入式脑机接口可以通过将电极植入脑内靠近神经回路的位置,以高保真度和信噪比记录大脑信号。这引领了许多重要的神经科学发现,但代价是有创的,也因此对大多数人的应用相当有限。

而非侵入式脑机接口可以很容易地应用于人类,不会造成伦理或安全问题,但其限制在于信号质量低,解码具有难度。目前,侵入式和非侵入式脑机接口的研究都受到广泛关注。

何塞·米兰:两种脑机接口具有不同的优缺点。侵入式脑机接口可以非常接近脑电活动的源头,但是需要通过手术植入电极,最终只能得到关于大脑很小一部分的高分辨率图像。

通过非侵入式脑机接口,能洞察到关于大脑活动的全局。当我们在计划和执行身体动作时,大脑的许多区域需要协调才能执行这些动作。因此,虽然没有关于单个神经元活动的高分辨率视图,也可以重建大脑的活动(信号)。此外,非侵入式脑机接口不需要手术,费用更便宜,更易于普通人使用。

在一定程度上,侵入式脑机接口能更精确地检测到大脑信号,但只能看到其中很小一部分。如果需要一个更大的视野,它则无法提供更多额外的信息源。

NBD:在研究过程中,如何评估脑机接口(尤其是侵入式)对人的健康风险?

贺斌:目前的侵入式脑机接口需要将电极植入大脑,可能会对脑组织造成损伤。侵入式脑机接口的人体试验主要针对有严重瘫痪或其他疾病的患者。目前没有使用侵入式脑机接口对人类健康的风险数据,风险因素主要依手术过程而定。

何塞·米兰:据我从事侵入式脑机接口工作的同事称,他们尚未观察到患者因此失去以前的任何能力。虽然可能产生一些局部损伤,但尚不足以造成额外的能力损失,因而这种风险似乎非常有限。对于非侵入式脑机接口,我们没有观察到任何风险。

NBD:科学家们对运动功能的解码已经作了很多尝试,未来通过脑机接口解码情绪、疼痛和记忆等其他功能是否可能实现?

贺斌:脑机接口当然可以帮助解码运动功能以外的大脑状态和功能。例如,我的实验室通过非侵入式脑电解码人类受试者的疼痛水平,但这些研究目前处于相对早期的阶段。在我看来,最重要的挑战是如何在不受约束的条件下解码大脑的功能和状态,不仅仅是运动功能。

何塞·米兰:认知决策和记忆过程这些高级功能被编码在我们的大脑皮层(大脑最外面的一部分)中,但人类情绪大部分是在大脑皮层下区域进行编码的,由于位于皮层下方,脑机接口很难进入这个区域。因此,解码情绪相对更难,但可以通过大脑皮层的次级效应来判断。

广泛应用于患者还很远

NBD:您所在的实验室现在的研究重点是什么?

贺斌:我的实验室研究系统神经工程,开发新的传感、成像和刺激技术来研究中枢神经系统。目前,我们专注于开发新型非侵入式神经技术,可以对大脑功能和功能障碍进行成像,调节大脑,并将大脑与外部设备连接起来,以实现“大脑控制的智能系统”。

何塞·米兰:目前的研究重心主要有两点。我们已经开发了可靠的脑机接口技术,如何让其为临床服务,使严重神经系统疾病的人受益是重点之一。(脑机接口)不仅可以使瘫痪者驾驶自己的轮椅,而且还可以帮助他们恢复功能。我们正在进行的临床试验显示,手部严重残疾的患者可以恢复手部功能。

第二点更为基础,脑机接口可以使人们学习以不同的方式调节大脑活动,以便发送更好的指令,我们正在加速脑机接口用户的学习过程。

NBD:脑机接口如何使患者恢复功能?

何塞·米兰:当大脑受到损伤时,它实际上是有能力改变的,我们称之为“神经可塑性”。这种可塑性体现在生活中的每一天,比如当你学习或记忆新知识的时候。我们正在用脑机接口去重塑这些未知的可塑性过程,使丧失编码功能的大脑区域能够恢复功能。

NBD:您在之前的采访中提到,侵入式脑机接口出现了一个新的方向,即双向脑机接口。现在这个领域的研究状况如何?除此之外还出现了什么新兴的研究方向?

贺斌:双向脑机接口仍然处于研究中。此外一个重要的研究方向是将人工智能(AI)和机器学习引入脑机接口研究,人工智能革命可能将显著推进脑机接口的研究。

我的实验室最近证明,使用深度学习,我们能够在62名健康受试者中提高基于脑电的非侵入式脑机接口的性能。

NBD:目前,国内外都有将脑机接口植入人体的成功案例。距离这项技术的普及还有多远?

贺斌:确实有成功的例子,但侵入式脑机接口的受试者数量仍然很少。这是一项很有前途的技术,但距离广泛应用于患者还很远,更不用说健康人群了。无论是侵入式还是非侵入式脑机接口,都还需要付出很多努力才能实现广泛的临床应用,包括开发新颖可靠的硬件和解码方式,从而可靠、准确地读取神经代码。

何塞·米兰:一方面,脑机接口技术上存在一些局限性。我们知道在记录大脑信号时有很大的不稳定性,如何保证信号的稳定还在研究中。对于患者来说,高昂的费用是最大的限制。这也是所有研究工作的目标——表明脑机接口具有足够的优势,争取让社会健康保险可以覆盖。

智能汽车领域大有可为

NBD:未来,脑机接口技术将如何改变人们的日常生活?

贺斌:脑机接口可以帮助瘫痪患者恢复活动能力,并帮助其他患有各种疾病的患者。还可以帮助到普通人群,就像智能手机一样。正是出于这个原因,我一直在研究非侵入式脑机接口,只有非侵入式脑机接口技术才能使普通人群受益。

何塞·米兰:脑机接口可以提高残疾群体的基本(行为)能力,也可以帮助患有认知障碍(如记忆力障碍、阿尔兹海默症等)的群体改善认知能力。

除此之外,为健康人群创建可用的脑机接口程序未来是一个很大的市场。显然,健康人群的诉求并不是通过脑机接口去做本来就能够完成的事情,而是希望它能够帮助我们做不能做到的事或预测我们即将做的事。目前的人工智能并没有考虑到主体的认知状态,如果我们能将主体的认知系统纳入人工智能,就能通过脑机接口来创造额外的价值。而在使用脑机接口的同时,你的大脑也会经历不断学习的过程。

NBD:“脑机接口+医疗”是我们现在普遍提到的一个应用方向,除此之外,还可能有哪些应用场景?

何塞·米兰:在智能汽车领域也大有可为,我们正在努力的一个方向就是用脑机接口为智能汽车司机服务,让智能汽车拥有传感器和“自主权”,实现自动驾驶。最大的一个挑战是如何使汽车以人类的方式进行驾驶,作出符合人类想法的操作。我们已经进行了8年的研究,结果显示这是可行的。

NBD:环顾世界,脸书、谷歌、亚马逊、Neuralink等商业巨头都在积极布局脑机接口领域。您如何看待脑机接口的商业化?

贺斌:大公司对未来技术很敏感,脑机接口就是这样的技术之一,所以这并不奇怪。没有产业化,就无法将基础研究转化为更大的社会效益。越来越多的商业公司对此感兴趣,表明脑机接口研究的优点和巨大的前景,这将推进脑机接口的研究,反过来也有助于将其带入社会和普通人群。

何塞·米兰:我很高兴大公司对这个研究领域感兴趣,这证实了这些研究有帮助人类的价值。但我们需要注意的是,不应对此盲目期待过高。试想人工智能已经存在了多少年?70年之久,但直到近年我们才看到它的巨大成功。

对于企业来说,这是商机,但当未来某一天他们停止了对这项研究的投资,资助机构和公众会怎么看待?是因为脑机接口不再有价值了吗?我不这样认为。因此我认为我们对此应保持谨慎。

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