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一个女孩正在接受生物反馈治疗。
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融合脑机接口技术和人工智能算法控制的新型仿生手,是去年第二届全球数字贸易博览会上拍摄的。新华社
让失去语言能力的人“说话”,让截瘫患者实现“脑控饮水”,甚至让懒人躺在床上用心开灯关窗帘...这些电影中脑机接口的生动场景正在逐渐从科幻走向现实。
脑机接口是什么?它将如何改变我们的生活,甚至达到人生进化的新高度?近日,记者采访了专家、学者和业内人士,深入探讨了脑机接口的本质、科学原理,展望了这项技术可能带来的深远影响。
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脑机接口是什么?
大脑接口,是人类或动物大脑与外部设备之间的直接连接,实现大脑与设备之间的信息交换。
中国科学院深圳先进技术研究院研究员、生物界面柔性传感实验室负责人刘志远解释说:“可以理解为建造一座桥梁,让大脑和设备之间可以直接进行“对话”。就像从计算机的USB接口插入数据线读取硬盘数据一样。如果我们想长期稳定地读取大脑的数据,我们必须有一个接口,这就是所谓的脑机接口。
脑机接口的概念最早可以追溯到1924年。德国科学家汉斯·贝格尔在实验中首次发现了人脑极小的电流,并发现了一个有趣的规律:当人处于闭眼养神的状态时,后脑勺检测到的脑电波会出现周期性的起伏,只要睁开眼睛,起伏就会立刻加快。这些基础科学发现催生了脑机接口技术。
1969年,美国科学家埃伯哈德·费兹将猴子大脑中的一个神经元连接到仪表盘上。当神经元被触发时,仪表盘上的指针会旋转,完成人类历史上第一个真正的脑机接口实验。一九七三年,美国加州大学雅克·维达尔发表的一篇文章首次提出“脑机接口”(BCI)概念。1998年,埃默里大学的研究人员菲利普·肯尼迪首次将脑机接口设备植入人体。通过大脑手术,人脑和大型主机可以通过电线连接。
埃隆·马斯克成立的Neuralink公司于2019年在脑机接口技术方面提出了全新的植入理念,提出将1024个微小的电极植入大脑的一个区域,倾听脑细胞的电波并传输出去。近几年来,脑机接口进入了技术飞速发展时期,越来越受到国家的重视。
根据电极放置方式,脑机接口可分为入侵式和非入侵式,入侵式也可分为微创入侵式和非微创入侵式。“刘志远说,侵入式脑机接口通过手术将电极植入大脑。虽然给患者带来了很大的伤害和后期管理风险,但获取的神经信息更加准确。相反,非侵入性设备通常用于可穿戴设备,电极附着在头皮上,不需要手术。但是颅骨后大脑神经元信息会进一步衰减,获得的大脑信息很容易受到外界的干扰。微创入侵是指颅骨开口很小,甚至只有一个小孔,或者通过脑血管,通过微创手术放置传感器。这三种方法各有利弊,催生了不同的应用场景。
脑机接口有什么用?
事实上,人们很早就开始尝试人机接口的相关应用,例如人工耳蜗。其原理是将声音信号转换成电信号,然后间接传输到大脑,可以帮助大量聋人恢复声音和交流能力。
伴随着脑科学、人工智能和材料学的发展,脑机接口技术已不断地从实验室向临床应用迈进,尤其是在医疗领域。
54岁的杨先生因车祸造成的颈椎脊髓完全损伤,此前长期瘫痪。然而,在去年10月完成无线微创脑机接口植入手术后,经过家庭康复训练,他已经可以通过脑电活动驱动气动手套,实现自主饮用水等脑控功能,这是中国脑机接口技术在中国人体中的重要应用之一。
据了解,研究小组通过神经外科医生的操作,将两枚硬币大小的脑机接口处理器植入高位截瘫患者的颅骨,并成功收集感觉运动脑区的颅内神经信号。在家里使用时,体外机通过头皮给体内机供电,接收大脑中的神经信号,并将其传输到计算机或手机上。通过记录和解读这些信号,可以实现大脑和计算机之间的直接通信。
经过三个月的家庭康复训练,杨先生可以通过脑电活动带动气动手套,实现自主拿起水杯喝水等脑控功能,准确率超过90%。
刘志远说,脑机接口技术可以直接将大脑皮层的信号活动转化为计算机指令,控制外部设备,恢复部分运动能力,而不依赖外周神经系统和肌肉组织。
随着脑机接口技术的不断突破,一些运动功能障碍或四肢瘫痪的患者有了很大的希望。使用脑机接口技术帮助他们重新与外界沟通,从而提高生活质量的梦想就在眼前。
医疗领域是脑机接口技术的重要应用和产业化方向。数据显示,在脑机接口领域的全球临床试验动态中,干预性研究的数量明显多于观察性研究,占80%以上。干预性研究主要集中在中风和肌肉萎缩侧索硬化。(ALS)、神经系统疾病,如脊髓损伤。
脑机接口技术也广泛应用于其它领域。例如,在教育领域,脑机接口不仅可以提高认知能力,还可以通过捕捉学生的脑电波,实时了解学生的课堂专注力,调整教学内容和节奏;在工业生产领域,可以帮助安全监控保证操作人员的安全;在消费领域,可以客观评价用户体验,优化产品设计;在航空航天领域,可以辅助训练和客观反馈训练者的感受;在游戏领域,让玩家用思想控制游戏角色的动作,获得更好的游戏体验。
此外,在军事领域也有巨大的应用空间。脑机接口技术可以帮助军事人员控制各种设备,实现战场无人化,提高作战效率和反应速度,减少人员伤亡。
脑机接口前景广阔
近年来,随着纳米技术、柔性电子学、AI模型和先进信号处理算法的不断进步和发展,为新型电极和接口的设计开辟了新的可能性,推动了脑机接口技术的不断进步。
刘志远认为,尤其是大型AI模型的出现,将极大地促进脑机接口技术的发展。他进一步解释说,虽然大脑的具体工作机制还不清楚,但只要有足够大的输入输出数据(比如输入观看不同的图片,输出对应的脑电等信息),在AI大模型的帮助下,有望找出对应于特定个体的两者之间的关系,具体来说,记录所有看到10万张图片的大脑反应信息,然后将相应的输入输出放入神经网络进行训练。之后可以通过脑电信息反向推测个人所看到的是什么样的图片。
刘志远还认为,未来脑机接口读取的信息不仅限于脑电,还包括脑血流、血氧、化学分子等。此外,脑机接口已经从单纯的大脑运动皮层研究扩散到其他皮层,如语言、图片和听觉。
这些技术的应用可能不是最终形式,只有通过思维操纵机器,改善大脑运行,依靠大脑电信号进行交流。有专家认为,脑机接口的最终目的是向大脑传递大量信息,或者向计算机系统上传大脑意识,最终实现人类意识和记忆的永生。当然,我们现在只是从0到1开始,未来还有很长的路要走。
目前,脑机接口技术取得了长足的进步,前景广阔,但也面临着许多挑战。例如,植入式脑机接口仍然存在操作风险;脑机接口的广泛应用会带来信息安全、个人隐私保护、思想控制等问题;如果我们发现人脑中有危害社会和犯罪的想法,我们应该如何应对电影《少数派报告》中的情况?这些都是值得思考的问题。
(《深圳特区报》记者 闻坤)
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