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(图)脑机接口
脑机接口

脑机接口(brain-computer interface,BCI),有时也称作direct neural interface或者brain-machine interface,它是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下,计算机或者接受脑传来的命令,或者发送信号到脑(例如视频重建),但不能同时发送和接收信号。而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。
  在该定义中,“脑”一词意指有机生命形式的脑或神经系统,而并非仅仅是“mind”。“机”意指任何处理或计算的设备,其形式可以从简单电路到硅芯片。
  对脑机接口的研究已持续了超过30年了。20世纪90年代中期以来,从实验中获得的此类知识呈显著增长。在多年来动物实验的实践基础上,应用于人体的早期植入设备被设计及制造出来,用于恢复损伤的听觉、视觉和肢体运动能力。研究的主线是大脑不同寻常的皮层可塑性,它与脑机接口相适应,可以象自然肢体那样控制植入的假肢。在当前所取得的技术与知识的进展之下,脑机接口研究的先驱者们可令人信服地尝试制造出增强人体功能的脑机接口,而不仅仅止于恢复人体的功能。这种技术在以前还只存在于科幻小说之中。

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脑机接口与神经修复编辑本段回目录

  神经修复是神经科学中和神经的修复相关的领域,即使用人工装置(假体)替换掉原有功能已削弱的部分神经或感觉器官。神经假体最广泛的应用是人工耳蜗,截止到2006年世界上已有大约十万人植入。也有一些神经假体是用于恢复视力的,如人工视网膜,但目前在这方面的工作仅仅局限于将人工装置直接植入脑部。
  脑机接口和神经修复的区别主要从字面上就可见其端倪:“神经修复”通常指临床上使用的装置,而许多现有的脑机接口仍然是实验性质的。实践上讲神经假体可以和神经系统的任意部分相连接,如外周神经系统;而“脑机接口”通常指一类范围更窄的直接与脑相连接的系统。
  由于目标和实现手段的相似性,“神经修复”和“脑机接口”两术语经常可以通用。神经修复和脑机接口尝试达到一个共同的目标,如恢复视觉、听觉、运动能力,甚至是认知的能力。两者都使用类似的实验方法和外科手术技术。

动物脑机接口研究编辑本段回目录

  一些实验室已实现从猴和大鼠的大脑皮层上记录信号以便操作脑机接口来实现运动控制。实验让猴只是通过回想给定的任务(而没有任何动作发生)来操纵屏幕上的计算机光标并且控制机械臂完成简单的任务。另外在猫上进行的研究对视觉信号进行了解码。

(图)脑机接口脑机接口

  早期工作
  1. 面向运动功能的脑机接口
  在面向运动功能的脑机接口方面,发展算法重建运动皮层神经元对运动的控制,该研究可以回溯到20世纪70年代。Schmidt, Fetz和Baker领导的小组在20世纪70年代证实了猴可以在闭环的操作性条件作用(closed-loop operant conditioning)后快速学会自由地控制初级运动皮层中单个神经元的放电频率。20世纪80年代,约翰斯·霍普金斯大学的Apostolos Georgopuolos找到了猕猴的上肢运动的方向和运动皮层中单个神经元放电模式的关系。他同时也发现,一组分散的神经元也能够编码肢体运动。
  上世纪九十年代中期以来,面向运动的脑机接口经历了迅速的发展。若干研究小组已经能够使用神经集群记录技术实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号,并用来控制外部设备。其中主要包括了Richard Andersen、John Donoghue、Phillip Kennedy、Miguel Nicolelis和Andrew Schwartz等人的研究小组。
  2. 面向感觉功能的脑机接口
  目前人类已经能够修复或者正在尝试修复的感觉功能包括听觉、视觉和前庭感觉。
  人工耳蜗是迄今位置最成功、临床应用最普及的脑机接口。
  视觉修复技术尚在研发之中。这方面的研究和应用落后于听觉同能的主要原因是视觉传递信息量的巨大和外周感觉器官(视网膜)和中枢视觉系统在功能上的相对复杂性。具体参见视觉假体。
  美国约翰·霍普金斯大学的Della Santina及其同事最近开发出一种可以修复三维前庭感觉的前庭植入物。

  研究进程大事记编辑本段回目录

  Phillip Kennedy及其同事用锥形营养性(neurotrophic-cone)电极植入术在猴上建造了第一个皮层内脑机接口。
  1999年,哈佛大学的Garrett Stanley试图解码猫的丘脑外侧膝状体内的神经元放电信息来重建视觉图像。他们记录了177个神经元的脉冲列,使用滤波的方法重建了向猫播放的八段视频,从重建的结果中可以看到可辨认的物体和场景。
  杜克大学的Miguel Nicolelis是支持用覆盖广大皮层区域的电极来提取神经信号、驱动脑机接口的代表。他认为,这种方法的优点是能够降低单个电极或少量电极采集到的神经信号的不稳定性和随机性。Nicolelis在1990年代完成在大鼠的初步研究后,在夜猴内实现了能够提取皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验。到2000年为止,Nicolelis的研究组成功实现了一个能够在夜猴操纵一个游戏杆来获取食物时重现其手臂运动的脑机接口。这个脑机接口可以实时工作。它也可以通过因特网远程操控机械手臂。不过由于猴子本身不接受来自机械手臂的感觉反馈,这类脑机接口是开环的。Nicolelis小组后来的工作使用了恒河猴。
  其它设计脑机接口算法和系统来解码神经元信号的实验室包括布朗大学的John Donoghue、匹兹堡大学的Andrew Schwartz、加州理工的Richard Anderson。这些研究者的脑机接在某一时刻使用的神经元数为15-30,比Nicolelis的50-200个显著要少。Donoghue小组的主要工作是实现恒河猴对计算机屏幕上的光标的运动控制来追踪视觉目标。其中猴子不需要运动肢体。 Schwartz小组的主要工作是虚拟现实的三维空间中的视觉目标追踪,以及脑际接口对机械臂的控制。这个小组宣称,他们的猴子可以通过脑机接口控制的机械臂来喂自己吃西葫芦。Anderson的小组正在研究从后顶叶的神经元提取前运动信号的脑机接口。此类信号包括实验动物在期待奖励时所产生信号。
  除了以上所提及的这些用于计算肢体的运动参数的脑机接口以外,还有用于计算肌肉的电信号(肌电图)的脑机接口。此类脑机接口的一个应用前景是通过刺激瘫痪病人的肌肉来重建其自主运动的功能。

人类脑机接口研究编辑本段回目录

  侵入式脑机接口
  侵入式脑机接口主要用于重建特殊感觉(例如视觉)以及瘫痪病人的运动功能。此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,因而所获取的神经信号的质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织(疤),进而导致信号质量的衰退甚至消失。

(图)脑机接口脑机接口

  视觉脑机接口方面的一位先驱是William Dobelle。他的皮层视觉脑机接口主要用于后天失明的病人。1978年,Dobelle在一位男性盲人Jerry的视觉皮层植入了68个电极的阵列,并成功制造了光幻视(Phosphene)。该脑机接口系统包括一个采集视频的摄像机,信号处理装置和受驱动的皮层刺激电极。植入后,病人可以在有限的视野内看到灰度调制的低分辨率、低刷新率点阵图像。该视觉假体系统是便携式的,且病人可以在不受医师和技师帮助的条件下独立使用。
  2002年,Jens Naumann成为了接受Dobelle的第二代皮层视觉假体植入的16位病人中的第一位。第二代皮层视觉假体的特点是能将光幻视更好地映射到视野,创建更稳定均一的视觉。其光幻视点阵覆盖的视野更大。接受植入后不久,Jens就可以自己在研究中心附近慢速驾车漫游。
  针对“运动神经假体”的脑际接口方面,Emory大学的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在人植入了可获取足够高质量的神经信号来模拟运动的侵入性脑际接口。他们的病人Johnny Ray患有脑干中风导致的锁闭综合症。Ray在1998年接受了植入,并且存活了足够长的时间来学会用该脑机接口来控制电脑光标。
  2005年,Cyberkinetics公司获得美国FDA批准,在九位病人进行了第一期的运动皮层脑机接口临床试验。四肢瘫痪的Matt Nagle成为了第一位用侵入式脑机接口来控制机械臂的病人,他能够通过运动意图来完成机械臂控制、电脑光标控制等任务。其植入物位于前中回的运动皮层对应手臂和手部的区域。该植入称为BrainGate,是包含96个电极的阵列。
  部分侵入式脑机接口
  部分侵入式脑机接口一般植入到颅腔内,但是位于灰质外。其空间分辨率不如侵入式脑机接口,但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。
  皮质脑电图(ECoG:ElectroCorticoGraphy)的技术基础和脑电图的相似,但是其电极直接植入到大脑皮层上,硬脑膜下的区域。华盛顿大学(圣路易斯)的Eric Leuthardt和Daniel Moran是最早在人体试验皮层脑电图的研究者。根据一则报道,他们的基于皮层脑电图的脑际接口能够让一位少年男性病人玩电子游戏。同时该研究也发现,用基于皮层脑电图的脑机接口来实现多于一维的运动控制是比较困难的。
  基于“光反应成像”的脑机接口尚处在理论阶段。其概念是在颅腔内植入可测量单神经元兴奋状态的微型传感器,以及受其驱动的微型激光源。可用该激光源的波长或时间模式的变化来编码神经元的状态,并将信号发送到颅腔外。该概念的优点是可在感染、免疫反应和愈伤反应的几率较小的条件下长时间监视单个神经元的兴奋状态。
  非侵入式脑机接口

(图)脑机接口脑机接口

  和侵入式脑机接口一样,研究者也使用非侵入式的神经成像术作为脑机之间的接口在人身上进行了实验。用这种方法记录到的信号被用来加强肌肉植入物的功能并使参加实验的志愿者恢复部分运动能力。虽然这种非侵入式的装置方便佩戴于人体,但是由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高。这种信号波仍可被检测到,但很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。
  脑电图(EEG)作为有潜力的非侵入式脑机接口已得到深入研究,这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。但该技术的一个问题是它对噪声的敏感,另一个使用EEG作为脑机接口的现实障碍是使用者在工作之前要进行大量的训练。这方面研究的一个典型例子是德国图宾根大学的Niels Birbaurmer于1990年代进行的项目。该项目利用瘫痪病人的脑电图信号使其能够控制电脑光标。经过训练,十位瘫痪病人能够成功地用脑电图控制光标。但是光标控制的效率较低,在屏幕上写100个字符需要1个小时,且训练过程常耗时几个月。在Birbaumer的后续研究中,多个脑电图成分可被同时测量,包括μ波和β波。病人可以自主选择对其最易用的成分进行对外部的控制。
  与上述这种需要训练的EEG脑机接口不同,一种基于脑电P300信号的脑机接口不需要训练,因为P300信号是人看到熟识的物体是非自主地产生的。美国罗切斯特大学的Jessica Bayliss的2000年的一项研究显示,受试者可以通过P300信号来控制虚拟现实场景中的一些物体,例如开关灯或者操纵虚拟轿车等。

(图)脑机接口脑机接口

  1999年,美国凯斯西留地大学由Hunter Peckham领导的研究组用64导脑电图恢复了四肢瘫痪病人Jim Jatich的一定的手部运动功能。该技术分析脑电信号中的β波,来分类病人所想的向上和向下两个概念,进而控制一个外部开关。除此以外,该技术还可以使病人控制电脑光标以及驱动其手部的神经控制器,来一定程度上回复运动功能。
  应用人工神经网络,计算机可以分担病人的学习负担。Fraunhofer学会2004年用这一技术显著降低了脑机接口训练学习所需的时间。
  Eduardo Miranda的一系列试验旨在提取和音乐相关的脑电信号,使得残疾病人可以通过思考音乐来和外部交流,这种概念称为“脑声机”(encephalophone)。
  脑磁图(MEG)以及功能核磁共振成像(fMRI)都已成功实现非侵入式脑机接口。例如在一项研究中,病人利用生物反馈技术可以用改变fMRI所检测到的脑部血流信号来控制乒乓球运动。 也有人用fMIR信号来准实时地控制机械臂,这一控制的延迟大位7秒左右。
  成果商品化及公司介绍
  John Donoghue及其同事创立了Cybernetics公司,宗旨是推动实用的人类脑机接口技术的发展。该公司目前以Cybernetics神经技术公司为名在美国股市上市。BrainGate是该公司生产的电极阵列,该产品基于美国犹他大学的Richard Normann研发的“犹他”电极阵列。
  Philip Kennedy创立了Neural Signals公司。该公司生产的脑际接口设备使用玻璃锥内含的蛋白质包裹的微电极阵列,旨在促进电极和神经元之间的耦合。该公司除了生产侵入式脑际接口产品,还销售一种可回复言语功能的植入设备。
  2004年为止,William Dobelle创建的公司已经在16位失明病人内植入了初级视皮层视觉假体。该公司目前仍在继续研发视觉植入物,但这类产品至今没有获得FDA的批准,因而不能在美国境内使用于人类。

细胞培养物的脑机接口编辑本段回目录

  细胞培养物的脑际接口是动物(或人)体外的培养皿中的神经组织和人造设备之间的通讯机制。 这方面研究的焦点是建造具有问题解决能力的神经元网络,进而促成生物式计算机。 研究者有时在半导体晶片上培养神经组织,并且从这些神经细胞记录信号或对其进行刺激。这类研究常称为“神经电子学”(Neuroelectronics)或“神经芯片”(Neurochips)。 1997年,加州理工Jerome Pine和Michael Maher的团队最先宣称研制成功神经芯片。 该芯片集成了16个神经元。
  2003年,美国南加州大学的Theodore Berger小组开始研制能够模拟海马功能的神经芯片。该小组的目标是将这种神经芯片植入大鼠脑内,使其称为第一种高级脑功能假体。他们之所以选择海马作为研究对象为其高度有序的组织以及丰富的研究文献。海马体的功能与记忆生成和长期记忆有关。
  佛罗里达大学的Thomas DeMarse用提取自大鼠脑的包含25000个神经元的培养物来操控一个F-22战斗机模拟程序。这些神经元提起自大脑皮层,离体以后,它们在培养皿上迅速集结成活的神经元网络,并且与60个电极通讯,来控制战斗机的上下和左右摇摆运动。该项目的主要目的是研究人类的脑在细胞层面上如何学习特定的计算任务。

伦理问题编辑本段回目录

 目前,关于脑机接口的伦理学争论尚不活跃,动物保护组织也对这方面的研究关注也不多。这主要是因为脑际接口研究的目标是克服多种残疾,也因为脑机接口通常给予病人控制外部世界的能力,而不是被动接受外部世界的控制。(当然视觉假体、人工耳蜗等感觉修复技术是例外。)
  有人预见,未来当脑际接口技术发展到一定程度后,将不但能修复残疾人的受损功能,也能增强正常人的功能。例如深部脑刺激(DBS)技术可以用来治疗抑郁症和帕金森氏病,将来也可能可以用来改变正常人的一些脑功能和个性。又例如,上文提及的海马体神经芯片将来可能可以用来增强正常人的记忆。这可能将带来一系列关于“何为人类”、“心灵控制”的问题争论。

国内研究机构编辑本段回目录

  浙江大学求是高等研究院(QAAS)
  浙江大学求是高等研究院(Qiushi Academy for Advanced Studies,QAAS)成立于2006年10月,是由香港著名企业家、浙江大学资深学长查济民名誉博士和刘璧如女士资助建立,浙江大学校设直属科研机构,享受学校的特殊政策。
  求是研究院依托浙江大学现有的科研基地,充分采用纳米技术、信息科学、生物医学工程和临床医学的研究成果,围绕神经信息与控制等领域开展多学科交叉研究。着重研究神经控制与修复、运动神经模型、神经信号处理及专用芯片设计、传感器材料的生物相容性、基于遥控和遥测的生物机器人、人工智能、脑—机交互(BCI)等课题。将最新研究成果应用于临床、公共安全等领域,实现科学和技术融合,造福社群,服务社会。作为浙江大学的“研究特区”, 学校在求是研究院设立特殊的人才引进、聘用及考核政策,并设立了以博士为主的查氏特聘研究员岗位,引进国内外优秀人才前来从事研究工作。

脑机接口未来直接向大脑写入记忆 编辑本段回目录

  诞生于上世纪80 年代的“赛博朋客”(cyberpunk)科幻小说中,经常会出现所谓的“神经植入装置”——一种把人脑和电脑直接相连的东西。就像在那部由威廉·吉布森(William Gibson)的小说改编的、让人看过就忘的电影《捍卫机密》(Johnny Mnemonic)中,主演基努·里维斯(Keanu Reeves)所宣称的那样:“我往脑子里存了几百MB 的文件”。

(图)脑机接口脑机接口

  在那个区区1MB 存储量都会让人艳羡不已的年代,这种刚刚浮出水面的科幻流派的高明之处就在于,他们描述的这些技术并非遥不可及,天才生物医学工程师们稍加努力便能做到。虽然当时美国麻省理工学院和加州理工学院还未能开发出此类植入装置,但杰出的科幻小说作家们还是带给了读者希望:这种技术终有一天能实现,甚至在我们的有生之年就可能见到。

  在过去十年间,科幻作品中描述的那些技术,陆续成为了现实。在颅骨内植入电极后,患者就可以仅靠大脑神经信号来控制假肢。这为一项新的科学研究拉开了序幕,而这项研究的最终目的是,绕开由于肌萎性脊髓侧索硬化症(渐冻症)或中风瘫痪的肢体,让大脑的指令得到有效执行。上述例子中,神经电信号是从大脑向外界传递的。同样,科学家也在研究电信号如何反方向传递,即通过电信号刺激猴子的大脑皮层,形成反馈,能让猴子真实地感觉机器手臂在触摸的东西。

  不过,在制造大脑和神经系统其他部分的替代品方面,我们又能走多远呢?除了控制电脑指针或机械手外,这项技术能否通过某种方式,让大脑中大约1,000 亿个神经元成为一个“秘密数据库”,就像吉布森小说中的情节那样,用来存放偷来的工业机密或其他数据表格呢?

  人会变成机器吗?

  了解神经系统工作机制,实现大脑与机器的交互,这是一个必然的发展进程吗?

  今天的好莱坞编剧和未来学家,作为最初赛博朋客传统的拙劣继承者,已经开始积极涉足神经技术。计划明年上映的影片《奇点迫近》(Singularity Is Near),就是一部根据计算机科学家雷·科兹威尔(Ray Kurzweil)的想法改编而成的纪录片。科兹威尔假设,把大脑中的内容全部数字化,并传输到计算机或机器人中。

  无论是上世纪80 年代英美电视节目中的著名虚拟人物超级麦克斯(Max Headroom),还是把人的思维全盘拷贝到一个最新款的人形机器人上,这些关于人类智慧发展超越身体极限的梦想,其实和勒内·笛卡尔(RenéDescartes)在17 世纪关于精神与肉体二元论的深邃思考相去不远。然而,要把人类的思维,包括我们对旭日东升的感受、飘忽不定的思绪,以及其他构成我们意识世界的独特主观感受,全都原封不动地复制到机器里去,似乎仍停留在科幻小说家的纸上谈兵阶段。

(图)脑机接口脑机接口

  对脑控假肢热火朝天的宣传,掩盖了我们对神经系统工作机制的认识匮乏。加州理工学院的神经科学家理查德·A·安德森(Richard A. Andersen)说:“我们对于高级认知活动的大脑回路几乎一无所知。”只有了解神经系统工作机制,我们才能把信息输入大脑,从而把“赛博朋客”中描述的种种神奇真正变成现实。

  那么,大脑和机器的交互到底可以实现些什么?从第一例脑电图实验,到现在用思维控制机器手和电脑屏幕上的光标,这一进程即使达不到科兹威尔式的“奇点”,也至少可以往脑子里输一些高级认知信息,这是否一个必然的发展进程?我们真的能把一部《战争与和平》输入大脑,或者像《黑客帝国》里那样把直升机驾驶手册“下载”到大脑中吗?能不能在当事人毫无察觉的情况下,把“See Spot run”(美国一部喜剧电影的名字,本意是看见一只叫“Spot”的小狗在跑——译者注)这句话存储到他的记忆中?仅仅存入“see”这一个词是不是更容易实现呢?

  这些不完全是学术问题,风趣的人可能会调侃,还不如去买一副老花镜,用传统的阅读方法来记忆这些信息会更容易些。即使那条通向大脑皮层的通道可能永远只存在于科幻小说中,理解光子、声波、气味分子和皮肤压力转变为我们大脑中永久记忆的过程,意义也远胜于“赛博朋客”式的娱乐。认识了这些基本原理,我们就可以研制出人造神经器官,帮助那些中风患者或者阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease) 患者形成新的记忆。

  简单的接通大脑的装置其实已经存在于成千上万人的颅骨内。耳聋患者和听力重度受损的患者会植入人工耳蜗(cochlea),把麦克风采集到的声音转化为刺激听觉神经的信号,从而产生人工听觉。这种装置被美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的神经科学家迈克尔·S·加扎尼加(Michael S.Gazzaniga) 誉为人类历史上第一个成功的神经修复装置。用作人工视网膜的电极阵列也已经出现在实验室中。如果这项技术可行,它将会让人类具备夜视能力。

  有些人更是雄心勃勃,计划把亚马逊网站和大脑中负责记忆形成的神经结构——海马直接相连,但所需要的技术目前还没有出现。具体的实施办法至少涉及两个方面:一是要在神经元和颅外世界之间建立一条可靠的连接,二是要有一种编译方法,能够把数字版本的《战争与和平》转换成神经元之间的“语言”。如何才能实现这些技术?或许我们能从最先进的脑机接口(brain-machine interface)研究中找到一些线索。

(图)脑机接口脑机接口

把文字输入大脑

  建立文字与神经元的映射,就可以通过控制特定区域神经元的激活来诱发相应的记忆。

  把文字输入大脑需要考虑一个问题,那就是是否需要把电极插入到人体组织中,这可能会是神经植入装置实用化的一大障碍,当然残疾人除外。在近一个世纪之前,人们就知道大脑的电活动可以在不打开头颅的条件下监测到。一个看似镶嵌着电极的“泳帽”(脑电极帽),便能从瘫痪病人头部提取信号,从而实现在屏幕上打字或者浏览网页的功能。德国蒂宾根大学的尼尔斯·拜尔博默(Niels Birbaumer)是这项技术的主要研究者之一,他声称,采用颅骨外的磁信号对大脑皮层进行反复刺激,同时用电极帽记录哪些神经元被激活,就可以找到“see”和“run”这些词在大脑皮层上的位置。一旦这种映射建立起来,就可以通过控制特定区域神经元的电发放来诱发相应的记忆——至少理论上如此。

  一些神经技术专家认为,如果特定的单词存在于大脑的特定位置(这一点仍有争议),那么要找到这些区域,就必须依靠比脑电极帽更加精细的记录手段。一项正在进行的有创式植入实验可能会实现这样精细的定位。神经信号公司的菲利普·R·肯尼迪(Philip R.Kennedy)和他的同事们,设计了一种可以记录神经元输出活动的装置。这种连接装置让中风患者仅通过思维活动,就可以把信号发送给电脑,由电脑翻译为元音字母,再由语音合成器发出相应声音,这是将来读出思维中完整单词的重要一步。这样的脑机接口技术最终或许也可以用来激活单个神经元。

  更加精细的连接可以通过纳米纤维来实现,这些纤维直径还不到100 纳米,凭借着微小尺寸和电学与机械特性方面的优势,可以很容易地接入单个神经元。美国堪萨斯州立大学的李军(Jun Li)和他的同事们研制出了一个刷状结构的装置,里面的纳米管刷毛就是刺激神经元或者接收神经信号的电极。李军预测这种刺激神经细胞的方法,可以用来治疗帕金森病或抑郁症,或者控制假肢,甚至可以在长时间的太空飞行中用于刺激相应的神经来伸缩宇航员的肌肉,以阻止失重环境中发生的不可避免的肌肉萎缩。

脑机接口:互联网遥远的疆界编辑本段回目录

让聋人重获听力,让盲人重见光明,让瘫痪者重新站起,甚至把人们从小学到博士近20年的求学生涯压缩到一瞬间……这些亦幻亦真的场景都与脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)这个词关联起来。

  

  清华大学科研人员正在通过非植入式脑机接口采集脑电波

  互联网之父看好脑机接口

  2007年3月,来华访问的互联网之父温顿·瑟夫首次接受中国媒体独家专访(见中国计算机报《温顿·瑟夫:让每位网民心存感激的人》)。本报记者问道:“如今,互联网的边界就是人机界面。但未来随着芯片植入人脑,你认为互联网还会有边界吗?”

  瑟夫在肯定了这一问题后说,他的夫人听力完全丧失,十年前在耳部嵌入了人工耳蜗,才得以部分恢复听力。瑟夫希望能够对人工耳蜗进行重新编程,使语音信息经过转化后进入互联网,而来自互联网的信息也可以转换成神经信号脉冲。这样,瑟夫夫人就可以对着电脑热烈地“交谈”。

  瑟夫对芯片植入持支持态度。他表示,他本人弥补自己记忆力下降的方式是Google搜索,但他希望有一种可以植入体内的存储芯片,能够让他的记忆力更好一些。瑟夫还兴奋地谈道,未来科技的发展,或许可以通过与互联网相连的方式来修复人的感官功能。

  今天,我们可以把PC、上网本以及各种各样联网的消费电子产品视为互联网的边界。几乎可以说,互联网的边界就是这些产品的显示屏、扬声器与麦克风,音、视频是人们与互联网交互的主要途径。

  但是,这种人机界面还处于人机分离的状态。也就是说,来自互联网的数字化的信息,必须借助于显示器或者扬声器转化为模拟信号,再通过光波和声波传输,才能被人们的眼睛和耳朵所接收,之后再通过视网膜和鼓膜转化为模拟电信号,通过视神经和听神经传输到大脑。

  未来,一旦我们可以将芯片嵌入人体,或者出现其他半嵌入、非嵌入式的解决方案,互联网与人体之间就能形成直接通信,来自互联网的信息不用再借助传统的光学和声学通道,同样可以直接进入人们的神经系统,从而实现真正意义上的人机合一。这就是脑机接口,又称为脑机界面。

  脑机接口把互联网与人直接连在一起,因此当前很多人也开始把脑机接口纳入了物联网的边界。

  人工耳蜗:脑机接口的雏形

  根据维基百科的定义:脑机接口是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间创建的直接连接通路。在该定义中,“脑”一词意指有机生命形式的脑或神经系统,而并非仅仅是抽象的“心智”(mind)。“机”意指任何处理或计算设备。

  如同物联网迄今没有一个统一的定义一样,类似人工耳蜗这类设备到底算不算脑机接口,业界也还存在分歧。严格意义上说,人工耳蜗属于神经修复领域,而神经修复是指用人造装置来替换原有功能已经消弱的部分神经或感觉器官,其中并没有指明一定要与大脑相连。但是,由于神经修复与脑机接口,采用了相似的实验方法和以外科手术为主的技术手段,特别是两者均是以恢复人的视觉、听觉、运动甚至认知能力为目标的,因此二者常常被混为一谈。至少,我们当前可以把人工耳蜗视为脑机接口的早期探索,因为这样更有助于我们对脑机接口的了解。

  根据百度百科听觉条目,听觉的形成过程为:外界声波通过介质传到外耳道,再传到鼓膜。鼓膜振动,通过听小骨传到内耳,刺激耳蜗内的纤毛细胞而产生神经冲动,神经冲动沿着听神经传到大脑皮层的听觉中枢,从而形成听觉。

  只要我们反过来看,就不会被这些名词所困扰:大脑通过听神经接收的生物电信号,最初是由耳蜗将声波转化为电信号的,因此可以把耳蜗视为人的声传感器。

  与助听器对声信号放大的原理不同,人工耳蜗的工作原理是:声波信号通过麦克风转变为电信号,再经语音处理器滤波后,将有效信号送到发射器,接收器接收到音频信号后,经由电刺激器传输到埋在耳蜗上的电极上,由于电极与听神经末梢相连,最终,音频信号将会传输到大脑听觉中枢。

   从人工耳蜗到脑电波

  尽管人工耳蜗已经有20多年临床应用的历史,但时至今日,它依旧只能部分地恢复患者的听力,这还是在需要对患者进行训练的前提下,加之费用高达上万美元,人工耳蜗的普及一直受到限制。

  除了人工耳蜗外,研究人员还在视觉和运动功能的应用上取得了可喜的进展。获得2003年诺贝尔医学奖提名的Dobelle,在2002年首次将第二代视觉脑机接口应用于临床,盲人患者术后竟然可以在医疗中心周围慢速驾车观光。2005年,Cybernetics公司将脑机接口技术应用于四肢瘫痪的病人,使其能够控制机械臂。

  然而,上述应用都是将脑机接口装置植入人体,通过与神经末梢直接连接来传递信息的,难免会引发感染或来自人体免疫系统的排异反应。所以,基于脑电波的非植入式脑机接口成为研究的热点,除了不会造成创口外,这种技术还可以“读取”更多来自大脑的信息。

  清华大学生物医学系神经工程实验室走在了前列。据清华大学网站报道,受美国国家科学基金委员会(NSF)等机构的委托,专业评估机构 WTEC(世界技术评估中心)在2006~2007年间,对全球主要的脑机接口实验室进行了评估。WTEC认为,高上凯教授领导的神经工程实验室,在全球脑机接口研究中处于领先地位。

  另据清华大学网站报道,今年6月,美国IEEE《神经系统与康复工程汇刊》以封面文章的形式,发表了神经工程实验室的最新研究成果,该实验室成功实现了一种准确率达到85%的新型听觉脑机接口。该项成果,将能够帮助与物理学家史蒂芬·霍金一样的神经“渐冻症”患者,通过听觉脑电活动来表达自己的思想并与外界沟通。

  脑机接口的挑战

  脑机接口当前遇到的最大挑战还是来自技术。在Gartner公司2009年公布的技术成熟度曲线上,脑机接口的成熟应该是十年之后的事情。事实上,人类尚未完全认识自身,更不用说极为复杂的大脑以及思维意识活动。因此,从人机界面(Man Machine Interface)到脑机接口,注定还有漫长的路要走。

  人机合一也在带来文化、隐私方面的挑战。在人工耳蜗的应用上,反对声一直没有停歇。出人意料的是,在美国,最大的反对群体却来自聋人社区中自幼失聪的人群,他们认为人工耳蜗影响到了聋人文化。而遥远的未来,更大的挑战则来自隐私方面,人们无法控制脑电波,又不可能总让自己处于对电磁波屏蔽的空间。当设备接收的灵敏度,有朝一日提高到可以在一定距离内接收脑电波,而且传送到互联网上,再通过认知模拟技术去解读脑电波时,其引发的问题将更为严重。

  “Kurzweil写了《奇点临近》一书,他相信到了2030年,计算机的心智将超过人类……我对此持怀疑态度,但是万一他要是说对了呢?”瑟夫在回答本报记者“未来互联网的智力是否会超越人类”时如是说。

  这位让瑟夫都将信将疑的人,正是美国的一位知名发明家和未来学家。他获奖无数,单是荣誉博士称号就多达17个。他曾经发明了平板扫描仪、 OCR、文本语音合成技术,他在1980年出版的《智能机器时代》一书中预言,1998年电脑将战胜棋王。后来只是因为IBM的研发人员太努力,将他的预言提前1年实现。

  尽管脑机接口、认知模拟等技术的成熟还遥遥无期,但它们带来的将是全新而巨大的挑战。因此,从现在开始,就应该重视这个问题。

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香港中文大学日前成功研制出一个“脑机接口”系统,可将脑电波转换成繁体中文字,让全身瘫痪而无法说话的病人,有机会打开心窗。

香港特区政府新闻网29日消息,香港中文大学日前成功研制出一个“脑机接口”系统,可将脑电波转换成繁体中文字,让全身瘫痪而无法说话的病人,有机会打开心窗。

据介绍,病人只要戴上有16个接触面的无线脑电波接收器,面向计算机屏幕上的中文笔划输入接口,想着自己要写的笔划,接收器便能接受到笔划的指令,将中文字逐笔写出来。据悉,这一系统采用了近似香港手机最常用的T9笔划输入法,只需要横、竖、撇、捺、勾五种笔划。系统运作时,使用者只需要输入单字起初的几个笔划,系统就会自动搜寻可能适合的单字给使用者选择。

目前,类似于“你好”、“午安”、“中文大学”等简单的短句子或词语,由接受、识别到翻译过程完成,需要3至5分钟,而且准确度会因环境和使用者情绪的变化而出现差异,最高有七至八成。研究团队表示,系统无疑比直接说话、手语或手写表达慢上数十倍,然而对于严重瘫痪的病人来说,他们可以说是身处完全“与世隔绝”的世界,新系统突破障碍,令他们可以表达自己,即使只是简单词组,已是难能可贵的“零的突破”。

香港特区政府信息科技总监赖锡璋表示,外地已有类似研究项目,可利用脑电波转换成英文字幕,这次中文大学的项目可说是首次输入中文的装置。

这一研究项目,是特区政府信息科技总监办公室《无障碍辅助科技研发基金》的九个资助项目之一,项目展览会将于5月11日至14日在香港中央图书馆举行。

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