初代「脑机人」约战Neuralink网红猴,马斯克尚未应战,脑科学家怎么看?

“看到它用意念打乒乓球的那一刻,我就在想,我是否能超越它。”

上周五,“脑机接口拓荒者”、最早尝试脑机装置的瘫痪病人 Nathan Copeland 在广播节目中,向 “用意识打乒乓球” 的猕猴 Pager 发起电子游戏《Pong》挑战。

这让人联想到五年前李世石与 AlphaGo 的 “人机大战”,跨物种比拼总是能挑拨人心弦。

一个月前 Pager 玩游戏的视频,热度还未完全削减。视频中,9 岁的猕猴 Pager 先是用手爪操控金属杆将球移动到黄色区域内,之后,脱离操控杆完全用意念顺畅地与电脑进行乒乓球对打。

图 | Pager 玩电子游戏

对于 Pager 用意念与电脑打乒乓球的视频,马斯克在推特上表示,“Neuralink 的首款产品能让瘫痪的人用意念使用智能手机,速度甚至比普通人用手指操作更快。”

目前,Neuralink 尚未对此挑战进行回应。

新旧脑机接口技术对决?

6 年前,遭遇车祸的 Copeland 瘫痪了,他的手脚都失去控制,全身仅剩肩膀还能小幅度活动。Copeland 决定在脑中植入一种神经控制装置,此后,他经常使用这一装置玩视频游戏。神经控制装置使 Copeland 的生活不再枯燥无聊,游戏也陪他度过了新冠大流行时期。

几年前,当问及 Copeland 是否会参与马斯克的植入计划时,他曾表示:“这是一个很难回答的问题。我必须要和马斯克或者他的团队有一个深入的交谈,弄清楚这个接口到底是如何工作的。”

现在,痴迷游戏的 Copeland 正在准备与 Pager 一决高下,“我已经在做准备和训练了”,上周 Copeland 对电子乒乓球游戏《Pong》进行了首次尝试。《Pong》被认为是电子游戏历史上第一个街机电子游戏。在此游戏中,玩家的目的就是在模拟乒乓球比赛中夺取高分以击败电脑玩家。


图 | Nathan Copeland 上周在匹兹堡大学用意念玩游戏《Pong》(来源:MIT TR)

Copeland 是少数传统植入芯片者之一,他脑部的植入物有 4 个,采用的是犹他神经电极技术(Utah Electrode Array,UEA)。他从去年开始使用植入的脑机接口通过意念操作平板电脑,下图为他用这种方式绘制的小猫图画。

此次跨物种的比拼,也将是新旧脑机接口设备的一场 “对决”。

单从设备来看,相比 Pager N1 Link 的 1024 个电极,Copeland 使用一次可记录 160 个神经元活动的植入物或许并不占优势。

马斯克投资创立的 Neuralink 成立于 2016 年,短期目标是治疗阿尔兹海默症、帕金森症等脑部疾病,最终期望通过与人工智能的融合增强大脑。

在猕猴 Pager 通过意念玩电子游戏的视频发布约 6 周前,它的脑中被植入了两个硬币大小的芯片 ——Neuralink 首款神经植入物 N1 Link,然后便开始对它的游戏训练。

为了训练 Pager 专注 “游戏”,研究人员用香蕉奶昔吸引它,只有它盯着屏幕的时候,才可以从屏幕下的金属吸管中吃到奶昔。

同时,研究人员也会记录 Pager 的脑电信号,并将其转化为数字信号,传送到通过无线与 N1 Link 链接的计算机分析处理,将 Pager 的脑电信号与操作指令相对应,实现用 “意念” 进行游戏。

资料显示,每个 N1 Link 由 1024 个检测神经信号的电极构成,可以进行神经信号的采集、处理和传输。并且,据其官网介绍,通过 Neuralink 应用程序的链接,使用者还可以通过大脑的思考活动直接控制 iOS 设备、键盘和鼠标。

解码大脑信息用于控制并不难

需要强调的是,无论是 Neuralink 植入遛猪、猴子打游戏等一系列脑机接口演示,或是 Copeland 脑中植入的神经电极技术,终极的目的是治疗脑部疾病。

这场尚未进行的比赛,结果未定,就连帮助 Copeland 植入犹他神经电极技术的研究员杰弗里・韦斯(JeffreyWeiss)都说,“在比赛完成之前,我也不知道谁会赢。”

如果是健康成年人跟 9 岁的猴子比赛,没有意外的话,人会 100% 胜利。但侵入式脑机接口技术直接用 “意识” 玩乒乓球游戏,胜负取决于植入的芯片,以及游戏玩家练习的时长,毕竟 “熟能生巧”。

若要了解什么是用 “意念” 玩游戏,首先要了解什么是侵入式脑机接口,猴子 Pager 和瘫痪的 Copeland 身上,都应用了侵入式脑机接口技术。

关于这个问题,生辉采访了华中科技大学的伍冬睿教授,他是人工智能与自动化学院脑机接口与机器学习实验室主任。

伍冬睿告诉生辉:“侵入式脑机接口需要通过手术在大脑中植入电极或芯片。人的大脑中有上千亿个神经元,通过植入电极,可以记录局部场电位(Local Field Potential,LFP)、单个神经元的活动(即动作电位 / 锋电位,Spike)和多个神经元活动(Multiunit Activity,MUA)。”


图 | 脑机接口系统的信号来源和特征(来源:受访者)

“侵入式脑机接口获取的大脑信号质量好,时间和空间解析度高,有可能取得比非侵入式脑机接口系统更好的性能。但是因为排异反应和可能的大脑损伤等手术风险,目前侵入式脑机接口系统在动物上应用较多,对人类的研究多限于瘫痪病人等临床特殊群体”,伍冬睿补充道。

关于 Copeland 发起的挑战,他和猴子 Pager 谁胜谁负,不仅取决于本来的智力水平,还取决于他们所应用的脑机接口技术水平的高低。

伍冬睿表示,虽然已有的侵入式脑机接口的研究很令人振奋,但是上述仅仅只是脑机接口技术需要实现的一方面:解码大脑的信息,用于控制。

Copeland 和 Pager 所植入的脑机接口芯片或电极,都体现了侵入式脑机接口在临床医学上的作用,也是侵入式脑机接口最具应用价值的领域 —— 临床医疗。

脑机接口在临床医疗中到底会发挥什么作用,伍冬睿向生辉分享了以下方面:

首先是替代作用。脑机接口系统的输出可能取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出,如丧失说话能力的人通过脑机接口输出文字,或通过语音合成器发声。这些患者的共同特点是,他们有相对完整的思维能力,但丧失了对肌肉和外周神经系统的自主控制能力,因此无法有效地向外界表达自己的需求和想法。将自己脑中所想的信息通过某种辅助手段传达出来是这一患者群体最基本且最重要的需求。

其次是恢复作用。脑机接口的输出可以恢复丧失的功能。如人工耳蜗已经帮助数十万失聪病人恢复听力,人工眼球可以帮助失明病人重新看见东西等。中风患者在失去肢体控制能力后,也可以通过脑机接口技术对患者的大脑运动皮层进行训练,帮助病人进行康复。

再者是改善作用。例如针对康复领域,对于感觉运动皮层相关部位受损的中风病人,脑机接口可以从受损的皮层区采集信号,然后刺激肌肉或控制矫形器,改善手臂运动。例如,癫痫病人的大脑会出现某个区域的神经元异常放电,通过脑机接口技术检测到神经元异常放电后,可以对大脑进行相应的电刺激,从而减少癫痫发作。

真正的挑战是成功编码信息并输入大脑

解码大脑的信息,用意念直接进行操控,这是目前的研究方向和进展。各个国家和研究机构在这一方面取得了重大进展。


图 | 脑机接口系统组成部分(来源:受访者)

脑机接口在解码脑神经信息、进行控制上取得了令人惊喜的成果,无论是 Copeland 脑中所应用的犹他神经电极技术,还是 Neuralink 在猴子脑中植入的 1024 个电极,都是有力的证明。

但脑接口在编码信息并输入大脑的研究上,还有很长一段路要走。Neuralink 的短期目标是治愈严重的脑部疾病,如老年痴呆症和帕金森症,并且最终通过与人工智能的融合来增强大脑。若要实现这一短期目标,必须能够成功编码信息并输入大脑。

此外,脑机接口系统的安全性也应该引起足够的重视。华中科技大学在国际上最早开展了非侵入式脑机接口系统的安全性研究。他们发现,目前常用的基于头皮脑电信号的脑机接口文字输入系统非常容易受到一种对抗噪声的干扰。这种恶意噪声十分微弱,添加到原始信号中甚至无法用肉眼区分,也很难通过计算机程序检测出来,但是它却能任意操控脑机接口文字输入系统。

这种攻击技术可以带来可大可小的危害:小到让脑机接口用户不能正常打字,大到医院里面的误诊,或者攻击者随时控制跟脑机接口连接的轮椅或外骨骼系统来伤害使用者。目前伍冬睿团队正在进行对应的防御方法研究,增强脑机接口系统安全性。

脑机接口市场前景

尽管脑机接口仍面临诸多挑战,但其行业前景广阔。

关于这一点,脑陆科技创始人 & 研发科学家卢树强告诉生辉:“14 年的时候已经可以基于 BCI 技术让瘫痪病人进行简单的动作抓取与操作了,截止到现在各相关的技术难点和要素都已基本解决,在技术本身不存在任何障碍。”

“更多的是产业化方面,整个市场的规模已经单个脑机控制设备和算法的研发成本目前相对较高,比如单套基于脑机的瘫痪病人控制设备与系统成本约为 200 万~500 万。随着临床的规模化应用,单个产品成本会有所改善。” 卢树强补充道。

所以难点是如何降低单套产品的生产研发成本,做到规模化量产。

卢树强表示,“预计 3-5 年的产业发展能够促使对应的产品成本降低,让普通家庭的人们能够有能力使用,单台降到 100 万以内。”

 

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