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給大腦加個芯片 《黑客帝國》中的未來要登場了嗎

2019年08月03日 08:32 來源:中國新聞周刊 參與互動 

  腦機接口:馬斯克開出的又一味未來藥方

  中國新聞周刊記者/彭丹妮

  發于2019.8.5總第910期《中國新聞周刊》

  繼電動汽車特斯拉、發射衛星與可回收火箭的SpaceX及超級高鐵Hyperloop之后,身兼商人和未來主義者的億萬富翁伊隆·馬斯克,最近又把目光瞄準了腦機接口技術。

  “任何有關于人工智能發展速度的預測,都指向其將超越人類。”馬斯克2016年曾表示,對此,這位“硅谷鋼鐵俠”提出的解決方式是在人類大腦中加入一層人工智能,讓人類與機器更快更直接地通信,在另一種意義上實現“進化”。次年,馬斯克宣布啟動一個新公司:Neuralink。

  低調進行研究兩年后,在今年7月17日的一場互聯網直播首秀中,Neuralink公司帶來了其最新的腦機接口技術。這款系統用長得像縫紉機一樣的機器人,向大腦中植入超細柔性電極來監測神經元活動,并將信號傳導至外部機器,實現人機交互。馬斯克表示,希望Neuralink可以幫助治療腦部疾病,保護和增強人類的大腦,并最終將人類與人工智能融合在一起。

  賽博朋克是科幻小說的一個分支,情節通常圍繞黑客、人工智能及大型企業之間的矛盾而展開。Neuralink新腦機接口系統的發布,甚至引發了人們對于賽博朋克時代提前來臨的討論:《黑客帝國》《超驗駭客》等科幻電影中描繪的人機共生的震撼未來是否將要登場?

  對此,美國匹茲堡大學研究腦機接口的神經生物學教授Andrew Schwartz告訴《中國新聞周刊》,我們對于腦科學知之甚少,科幻作家們描繪的世界不過是一種猜測;在可以預見的20年內,如果這種技術能夠應用于人體,那么最實際的可能性是在醫療領域。

  站在巨人的肩膀上

  Neuralink并不是第一家也不是唯一一家腦機接口(BCI)領域的掘金者,早在1990年代,BCI就已成為研究熱點。迄今為止,人與機器之間的溝通形式一直僅限于手工輸入和語音交互,科研人員設想借助腦機接口,開辟人機之間一個全新的交流方式——通過大腦向機器直接發指令,即用意識控制機器。

  就像一個無線遙控器一樣,大腦的運動皮層指揮軀體的行動。擅長以幽默的文風闡釋復雜問題的寫作者Tim Urban解釋,基于運動皮層的腦機接口的目的,就是當這個遙控器發出一些命令的時候,腦機接口能夠收集到這個命令,將其傳達給比如假肢、機械或計算機。神經連接你的運動皮層和你的手,而腦機接口就負責連接你的運動皮層和一臺計算機,就是這么簡單。

  實現大腦信號收集與傳達的過程,要涉及一系列工程難題。比如,打開顱骨插入電極的侵入式接口。雖然有探測神經元信號質量較高的優點,但也存在感染風險、生物相容性差等問題。2006 年,一位脊髓麻痹患者接受了BCI 植入,他可以控制電腦鼠標,甚至玩游戲。從那以后,作為科學研究的一部分,陸續有癱瘓病人在實驗室實現機器人手臂移動等動作控制。

  他們使用的系統均為BrainGate,是世界上第一個類似的腦機接口系統,由布朗大學開發。科研人員將一種名為“猶他陣列”的電極列陣植入癱瘓病人的運動皮層。當病人想要抬手或做其他活動時,電極便可檢測到被這些意圖激活的神經元,然后將信號傳導給機器,讓其完成對應命令。

  BrainGate系統中使用的猶他電極是一組堅硬的針,最多適用于 128 個電極,使用起來就像往大腦里扎進一個刺猬,對人體不夠友好。這種材質在長期使用中還會逐漸暴露出弊端,比如,大腦在顱骨內可以自由移動,但針無法隨之移動,日積月累的磨損最終會導致接口損壞。

  近來,根據動物實驗的結果,最先進的電極是比利時公司Imec研發的神經像素,上面集成了960個記錄位點,可以一次收集成千上萬個腦細胞的數據,不過這只是單根電極,無法實現記錄的廣度。

  相較而言,Neuralink使用的這套系統在96根電極線上掛滿3072個觸點,比以往的腦機接口技術能夠傳輸更多的數據。更妙的是,這種電極線由薄而柔韌的聚合物材料制造,柔軟而靈活,且直徑僅約為人類頭發的四分之一。這些電極線就像一串串珍珠,只不過在這條導電線上串起來的是一系列微小電極和傳感器,它們可從大量細胞中捕獲信息并將其無線發送到計算機以供分析。

  這些柔性電極都會被埋藏在皮質中,隨著大腦浮動,所以不用擔心像“鋼針”般的猶他陣列那樣會劃傷大腦組織的問題,由于這些高分子細線足夠靈活,隨大腦的位移也不會磨損自身。一位生物科學領域的教授接受《紐約時報》采訪時評論稱,Neuralink線程的靈活性的確是一個進步,不過,研究人員仍然需要證明這種電極線可以在大腦環境中長時間生存,因為這種環境中的鹽溶液會使許多塑料變質。

  靈活與柔軟也意味著植入難度的大幅升級。對此,Neuralink 帶來了第二項重要突破——可以每分鐘自動插入 6 根線程(192 個電極)的“神經外科機器人”。這個機器人很像顯微鏡和縫紉機的混合體,它使用的所謂計算機視覺系統,能夠閃避大腦血管的位置,減少大腦炎癥反應的產生;工作起來就像縫紉機一樣,將一根根電極快速而安全地植入到大腦皮層中。據媒體報道,“縫紉機”機器人已在19個動物中植入電極,87%的試驗是成功的。

  “縫紉機”機器人將電極線植入到大腦中。圖/Neuralink

  還有一個棘手的問題是,電極記錄到的信號非常微小,且大腦內的環境比較復雜,存在各種噪音。發布會當晚,Neuralink在生物學預印論文網站biorxiv上發布了學術論文,透露了更多細節。文章指出,他們研發了一種定制化集成電路,可以更好地讀取、過濾和放大所收集的信號。該芯片還設計了一種特殊處理單元 ,能夠單獨對每個通道進行預處理,并將最后記錄到的細胞膜表面電位轉換成數字信號。

  不過,目前數據的傳輸只能通過有線連接。該團隊希望最后能夠通過將一種傳感器芯片植入人體來實現無線操作。具體來說:Neuralink打算在大腦四個區域植入傳感器,三個位于運動皮層,一個位于軀體感覺皮層,然后在耳后放置一個外部接收器,并可以通過蘋果手機APP控制。

  傳感器組示意圖:固定在顱骨上的若干個傳感器,一邊連接植入顱內運動皮層或者軀體感覺皮層的電極線,從大腦內捕獲信息,一邊連接放在耳后的外部接收器。圖/Neuralink

  有專家認為,這次發布體現了整體解決方案上高水平的綜合集成,多項技術都在以往基礎上有了長足的進步。據《麻省理工科技評論》報道,柔性電極并非該團隊首創,而是利用得克薩斯大學奧斯汀分校 Chong Xie 等人開發的技術,不過,Neuralink解決了從植入到后期信號處理的一套流程。

  賽博朋克遠未到來

  馬斯克擅長將看似天馬行空的想法付諸實踐并推動技術的商業化。Neuralink主席霍達克在發布會上表示,起初,他也不確定這個技術是個好想法,但馬斯克最終讓他相信這是可能的。在成立之初,馬斯克會見了1000多人,最終招募了神經科學領域、腦外科、臨床試驗等眾多領域著名學者到其麾下工作,包括美國國家實驗室的工程師與柔性電極專家 Vanessa Tolosa、主要負責腦機接口算法的美國加州大學舊金山分校教授 Philip Sabes等。馬斯克也指出,這場發布會的主要動機是招募,讓更多的人才加入到Neuralink來。

  不過,Neuralink并非這一技術領域的唯一玩家,事實上,它面臨的競爭對手不在少數。據《華爾街日報》2017年報道,Facebook 新的秘密項目向腦機接口工程師和神經科學家發布了招聘信息;美國國防高級研究計劃署(DARPA)也計劃在 4 年內投資 6000 萬美元開發植入式神經接口技術,Neuralink推出的縫紉機器人也是由該部門所開發。

  美國匹茲堡大學腦機接口研究學者Andrew Schwartz指出,這項技術涉及的眾多組件,別的團隊也同時在研發,但比起他們,Neuralink的一大壓倒性優勢非常實在:錢包充裕,而且能有效地推進他們的研究。不過最后能做出怎樣的成果,他表示還有待繼續觀望。

  Neuralink由馬斯克成立于2017年,總部位于美國硅谷,目前擁有約 90 名員工,迄今為止已經融資 1.58 億美元,其中至少有1億美元來自CEO馬斯克。據美國證券交易委員會(SEC)的文件顯示,今年5月,Neuralink 完成了此前 5100 萬美元輪次融資中 3900 萬美元的入賬。

  Andrew Schwartz表示,這次馬斯克團隊推出的科技主要是機械方面的創新,與科學不沾邊。過去類似的系統已經被證明具有幫助人們恢復行動能力的潛力,但是龐雜的、不便于移動的各式設備限制了這種方法走出實驗室。而現在,Neuralink則在硬件上進行創新,包括提高神經元的記錄數量、將電極微型化處理,并通過無線方式替代人機之間的傳輸線,最終讓那些日常依賴這類設備的人群更有可能常規使用。一言以蔽之,這些創新讓規模化使用成為可能。

  美國南加州大學神經生物學系助理教授Andrew Hires告訴《中國新聞周刊》,Neuralink提供的解決方案尚未被應用到人體身上,如果成功用于人類,將會是當前該領域最為先進的技術。“就像實現了標準清晰度向高清電視機的飛躍,不過還遠遠達不到4K/8K級超高清電視的水平。”

  “這一方向的技術進步將有力推動腦科學的研究。以毫秒量級的時間分辨率同時觀察并調控成千上萬個神經元的活動,將可能帶來腦科學研究范式的變化,從以往注意單個或是較少數量神經元的研究,轉變到理解大規模神經網絡的活動與信息處理和腦功能的關系上來。”中科院自動化所模式識別國家重點實驗室副主任、腦網絡組北京市重點實驗室副主任余山在接受媒體采訪時如此評價。

  2017年,Tim Urban在Neuralink團隊的幫助下,專門寫了一篇關于腦機接口的長文。他在文中指出,Neuralink依然面臨諸多挑戰,比如,如何處理人腦浩瀚的信息量——對于思想來說,幾百個電極遠不足以用來交流除了最簡單的信息之外的東西。當談到心目中那個能夠改變世界的腦機接口的時候,Neuralink團隊給出的數字是“同時記錄一百萬個神經元”。

  在公司剛剛成立時,有報道稱 Neuralink 的第一批產品會被應用于治療腦疾病,如癲癇或重度抑郁癥。中科院半導體研究所研究員王毅軍近日接受媒體采訪時表示,目前來看Neuralink公司的腦機接口系統更像一套通用的平臺工具,既可以用來診療神經系統疾病,也可以用來實現通訊控制,又可以用來進行神經科學研究。可以根據具體用途來確定電極該植入大腦的哪個區域。

  霍達克則表示,希望有朝一日——或許是不久的將來,Neuralink能夠幫助人類擺脫一系列疾病,例如幫助癱瘓病人恢復行動能力或幫助人們聽、說、看。該公司希望通過美國FDA的批準,爭取最早于明年開始人體臨床試驗;該團隊的腦外科醫生Matthew MacDougall則表示,安全性是一個非常重要的目標,最終他們希望這項技術就像激光眼科手術一樣可靠。

  《中國新聞周刊》2019年第28期     

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【編輯:白嘉懿】

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