腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)首度成功，它用 50 年把科幻電影變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

本文作者：劉子榆

2016-11-16 16:44

導(dǎo)語(yǔ)：世界上首例人類腦機(jī)接口手術(shù)成功完成，這意味著 BCI 技術(shù)的運(yùn)用得到了重大突破。

不知道你有沒(méi)有看過(guò)電影《潛水鐘與蝴蝶》，這是根據(jù)真實(shí)故事改編而成的。影片主人公鮑比因?yàn)橥蝗缙鋪?lái)的中風(fēng)造成全身肌肉癱瘓，無(wú)法動(dòng)彈，眨動(dòng)左眼是他唯一與外界交流的方式。身體不能動(dòng)，但是他的大腦和思維卻是完全正常的。鮑比最后靠眨眼睛“寫”出了一本回憶錄。

對(duì)于癱瘓病人來(lái)說(shuō)，如何與外界交流的確是一件難事，也許未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)會(huì)幫助鮑比這樣的病人，讓他們不再生活在密閉的“潛水鐘”里，通過(guò)腦電波或者神經(jīng)活動(dòng)與外界交流，讓思想可以像“蝴蝶”一樣自由飛翔。

近日，國(guó)外媒體報(bào)道了全球首例成功的人類腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。借著這個(gè)機(jī)會(huì)，大家可以和雷鋒網(wǎng)一起看看這項(xiàng)神奇的技術(shù)是如何把科幻電影《阿凡達(dá)》中用意念操控物體變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的。

腦機(jī)接口是什么

人類在進(jìn)行各項(xiàng)生理活動(dòng)時(shí)都會(huì)向外發(fā)送電信號(hào)。如果用科學(xué)儀器測(cè)量大腦的電位活動(dòng)，那么在熒幕上就會(huì)顯示出波浪一樣的圖形，這就是“腦波”。

腦波活動(dòng)具有一定的規(guī)律性特征，和大腦的意識(shí)存在某種程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。人在興奮、緊張、昏迷等不同狀態(tài)之下，腦電波的頻率會(huì)有明顯的不同，而正是因?yàn)槟X波具有這種隨著情緒波動(dòng)而變化的特性，人類對(duì)于腦波的開發(fā)利用成為了可能。像電影《阿凡達(dá)》中所展現(xiàn)的利用意念操控阿凡達(dá)，實(shí)際上就是腦機(jī)接口技術(shù)（Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱 BCI），這是指在人腦與計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備之間建立直接的連接通路。通過(guò)對(duì)于腦電信息的分析解讀，將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動(dòng)作，這就是用“意念”操控物體的基本原理。

推動(dòng)臨床研究的難點(diǎn)在哪

你很難想象，科學(xué)家在 1963 年就已經(jīng)開始嘗試腦機(jī)接口研究了。當(dāng)時(shí)，英國(guó)一家醫(yī)院的醫(yī)生 Grey Walter 為了確認(rèn)癲癇病人的腦內(nèi)病灶，在其貼近大腦皮層的地方放了電極，電極可以清晰地獲取病人的神經(jīng)活動(dòng)。Walter 醫(yī)生有一天突發(fā)奇想，在病人們觀看風(fēng)光幻燈片的時(shí)候，偷偷把腦電電極連接到了自己發(fā)明的“電位轉(zhuǎn)換器”上，把病人大腦運(yùn)動(dòng)皮層的場(chǎng)電位信號(hào)，轉(zhuǎn)換成了幻燈機(jī)換片的控制信號(hào)。于是奇跡發(fā)生了：病人每次打算更換幻燈片時(shí)，但還沒(méi)有按動(dòng)按鈕，幻燈機(jī)似乎已經(jīng)知道了他們的想法，自動(dòng)切換了。這是腦機(jī)接口技術(shù)的第一次完整實(shí)現(xiàn)：采集大腦神經(jīng)信號(hào)，翻譯轉(zhuǎn)換后控制外部設(shè)備。

然而 50 多年過(guò)去了，為什么這樣的技術(shù)還沒(méi)有真正應(yīng)用到臨床上來(lái)呢？

腦機(jī)接口需要多學(xué)科的高度協(xié)作。如何長(zhǎng)期穩(wěn)定地記錄生活，芯片怎樣安全植入并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定記錄，這些在神經(jīng)外科，電生理、微電子等等領(lǐng)域的高度配合下才能達(dá)成。一方面要想獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定的腦電信號(hào)，就需要在電極和頭皮之間注入導(dǎo)電膠，這種膠體適合于兩小時(shí)內(nèi)的短期使用，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)干結(jié)，其中的離子運(yùn)動(dòng)受阻，腦電信號(hào)質(zhì)量會(huì)大幅度下降，直至腦機(jī)接口系統(tǒng)無(wú)法工作。另一方面環(huán)境中的電磁噪聲、使用者體表的電生理信號(hào)，甚至使用者的心理狀態(tài)也會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，很多腦機(jī)接口的識(shí)別算法離開實(shí)驗(yàn)室就無(wú)法穩(wěn)定工作了。

除了技術(shù)上的難點(diǎn)，道德倫理問(wèn)題或許也是腦機(jī)接口難以普及的一個(gè)原因。國(guó)外媒體 The Verge 曾在 the big future 欄目中，談及了腦機(jī)接口的一個(gè)方向：在大腦中植入設(shè)備，避免人類在工作的時(shí)候開小差或者走神。這些應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出醫(yī)療領(lǐng)域之外，也讓人們?cè)絹?lái)越擔(dān)憂腦機(jī)接口的未來(lái)——如果設(shè)備可以插入大腦中，讀取大腦的信息，控制人的思維，那么他人看到我們大腦中的信息也不會(huì)是難事，電影《盜夢(mèng)空間》里竊取他人思想的事情也許會(huì)在現(xiàn)實(shí)中上演。不僅如此，一旦技術(shù)被濫用，會(huì)不會(huì)有利用設(shè)備控制他人而進(jìn)行的犯罪行為出現(xiàn)？更恐怖的是，未來(lái)，人會(huì)不會(huì)被機(jī)器所控制？

加州大學(xué)伯克利分校電子工程與神經(jīng)科學(xué)副教授 Jose Carmena 曾就人們的擔(dān)憂表示“人腦是這些所有行為的控制方，腦機(jī)接口的主要目的是通過(guò)腦形成一個(gè)環(huán)路，整個(gè)環(huán)路中一直都是由大腦來(lái)對(duì)機(jī)器進(jìn)行指揮，機(jī)器只是被動(dòng)的接受體?！北M管如此，腦機(jī)接口涉及到的道德、倫理問(wèn)題依舊讓一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)面臨種種阻礙。

應(yīng)用及最新進(jìn)展

2014 年巴西世界杯期間，一名腰部以下癱瘓的少年通過(guò)由腦電波控制的機(jī)器外骨骼踢出了世界杯的第一腳球。這里利用的就是腦機(jī)接口技術(shù)。通過(guò)讓用戶依靠個(gè)人意念來(lái)進(jìn)行交流以及控制設(shè)備，腦機(jī)接口對(duì)幫助 ALS 等病患治療有巨大潛力。

腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)首度成功，它用 50 年把科幻電影變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

前不久，斯坦福大學(xué)開發(fā)的一項(xiàng)研究讓猴子能夠用意念敲出《莎士比亞》全集。猴子的大腦皮層中被植入了一種電極，通過(guò)訓(xùn)練，它們學(xué)會(huì)把屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)到指定位置。從猴子的大腦中收集數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成電腦可以識(shí)別的命令。當(dāng)猴子觀看屏幕的時(shí)候，它的腦電波通過(guò)電腦控制光標(biāo)到達(dá)指定位置，然后它們將單點(diǎn)編成綠色的序列，就能讀出莎士比亞經(jīng)典作品《哈姆雷特》里的字句——全程無(wú)需接觸鼠標(biāo)或鍵盤，用腦電波就能完成。對(duì)此，雷鋒網(wǎng)進(jìn)行過(guò)相關(guān)報(bào)道。

腦機(jī)界面不僅被用于控制屏幕上的光標(biāo)，研究人員還希望它能為假肢提供觸覺(jué)，幫助殘疾人與周圍環(huán)境互動(dòng)。

腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)首度成功，它用 50 年把科幻電影變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

上周，由 EPFL 領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款神經(jīng)假體界面，通過(guò)對(duì)大腦和脊柱的重新連接，使腿部癱瘓的猴子能夠重新行走。這是人類首次通過(guò)神經(jīng)科技恢復(fù)（非人類）靈長(zhǎng)類的運(yùn)動(dòng)功能，相關(guān)論文在 Nature 發(fā)表。在脊髓受損的情況下，“神經(jīng)義肢界面”（neuroprosthetics interface）承擔(dān)了橋梁作用。該團(tuán)隊(duì)將其植入到猴子的大腦，該介面充當(dāng)了大腦與脊椎之間的無(wú)線連接裝置，能解碼腦部運(yùn)動(dòng)皮層移動(dòng)腿部的訊號(hào)，并將該腦波訊號(hào)及時(shí)無(wú)線傳至腰椎區(qū)域，刺激它們的腿部肌肉行走。這項(xiàng)研究成果是人類向治療癱瘓等疾病邁出的重要一步。

最近，國(guó)外媒體報(bào)道了世界上首例成功的人類腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)，這意味著 BCI 技術(shù)在人類身上的運(yùn)用得到了重大突破。

腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)首度成功，它用 50 年把科幻電影變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

BCI 幫助荷蘭一位 ALS 女病人拼寫詞語(yǔ)和句子。而且更重要的是，這套接口幾乎可以隨時(shí)隨地使用，讓她即使在戶外也能夠與朋友進(jìn)行交談，而不需要醫(yī)療專家在一旁隨時(shí)提供幫助。

外科手術(shù)將一種設(shè)備植入病人的大腦，該設(shè)備帶有兩個(gè)安裝在大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的電極，用戶可以通過(guò)它們控制運(yùn)動(dòng)。這些電極的位置是非常關(guān)鍵的——一個(gè)必須安裝在大腦中負(fù)責(zé)右手運(yùn)動(dòng)的位置，另一個(gè)則會(huì)在你想要倒計(jì)數(shù)時(shí)開始工作。電極連接著安裝在女病人胸部起搏器大小的發(fā)射器，發(fā)射器可以與她面前的計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行無(wú)線通信。當(dāng)她注視屏幕時(shí)，就會(huì)看到虛擬鍵盤上有一個(gè)可移動(dòng)的光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)到她想選擇的字母上時(shí)，她必須想象右手點(diǎn)擊了那個(gè)字母。雖然病人無(wú)法使用右手，但她的大腦仍然可以發(fā)出運(yùn)動(dòng)的指令，而電極會(huì)收集這些信號(hào)，傳遞到發(fā)射器，然后傳遞到計(jì)算機(jī)和屏幕上。

僅僅六個(gè)月的訓(xùn)練之后，該患者已經(jīng)可以正常使用這套系統(tǒng)，打字正確率已到 95%。并且隨著測(cè)試的推進(jìn)，研究人員相信打字的準(zhǔn)確率和速度都將大大提高。

用意念進(jìn)行交流或者運(yùn)動(dòng)，這聽起來(lái)似乎只是科幻小說(shuō)里才會(huì)發(fā)生的故事，而在腦機(jī)接口技術(shù)的幫助下，也許未來(lái)癱瘓病人真的能夠重新與外界進(jìn)行自由自在地交流，他們的思想將不再受到軀體的束縛。

Via sciencealert

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