元宇宙的終極形式，竟然是腦機(jī)接口？

    李驍健演講視頻：

 

    以下為李驍健演講實(shí)錄：
 

    大家好，我研究的領(lǐng)域是高性能腦機(jī)接口和類腦工程，今天非常高興有機(jī)會(huì)能參加“科普中國(guó)-我是科學(xué)家”欄目，給大家介紹腦機(jī)接口。
 

    大家在現(xiàn)實(shí)中很難接觸到腦機(jī)接口，為了給大家一個(gè)比較清晰的感性認(rèn)識(shí)，我們先從科幻電影來講。
 

    在電影《阿凡達(dá)》中，潘多拉基地給一位殘疾的美國(guó)士兵培養(yǎng)了一個(gè)人造人，當(dāng)這個(gè)士兵進(jìn)入睡眠艙，將自己的意識(shí)傳遞給這個(gè)人造人時(shí)，這個(gè)人造人就能被這個(gè)士兵的意識(shí)所控制了，這叫意識(shí)替換。
 

    意識(shí)替換|《阿凡達(dá)》劇照
 

    同樣在《阿凡達(dá)》中，人造人騎著當(dāng)?shù)嘏硕嗬堑娘w龍，二者通過“辮子”聯(lián)系在一起，人造人通過意念來控制這個(gè)飛龍，這叫做意識(shí)對(duì)接。對(duì)于人類目前的技術(shù)而言，我們還搞不清楚意識(shí)替換該怎么弄，不過意識(shí)對(duì)接看起來較為合理，可惜的是地球上的生物缺乏能夠“對(duì)接”的器官。也就是說，目前這兩種情況是完全科幻的，離我們的生活很遠(yuǎn)的。
 

    意識(shí)對(duì)接|《阿凡達(dá)》劇照
 

    而在電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，大夫把人體的腦神經(jīng)和機(jī)器嫁接在了一起。這種對(duì)接方式在生理角度上而言較為可行，像我一樣研究腦機(jī)接口的很多科研工作者，就在努力讓類似的方式走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
 

    腦神經(jīng)與電子裝置對(duì)接|《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》劇照
 

    那么，到底什么是腦機(jī)接口呢？實(shí)際上，腦機(jī)接口就是指大腦與外界直接進(jìn)行信息通訊的一種方式。腦機(jī)接口技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)作為信息的中介，幫助大腦實(shí)現(xiàn)和外界信息的直接通訊。
 

    那為什么要做腦機(jī)接口呢？我先舉一個(gè)罕見病的例子，漸凍癥。目前來說，常規(guī)的治療方案都沒有辦法讓漸凍癥患者恢復(fù)活動(dòng)能力，但腦機(jī)接口或許可以。

    2012年，第一個(gè)人腦控機(jī)器人出現(xiàn)了，通過頭上的“插頭”，患者可以把腦信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，進(jìn)而可以通過集中意念來控制機(jī)械臂，抓住水瓶，放到嘴邊喝水。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

2012年第一個(gè)人腦控機(jī)器人
HochbergLR,BacherD,JarosiewiczB,etal.Reachandgraspbypeoplewithtetraplegiausinganeurallycontrolledroboticarm[J].Nature,2012,485(7398):372-375.
 

    我們的大腦是由相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)分區(qū)組成的，比如顳葉，頂葉，額葉，枕葉，小腦和腦干等。這些區(qū)域?qū)嶋H上是不能拆分的，它們必須作為一個(gè)整體才能發(fā)揮出正常的腦的功能。
 

    大腦的基本結(jié)構(gòu)|李驍健供圖
 

    大腦要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，主要依靠的是很多的神經(jīng)元。我們的大腦是由近千億個(gè)神經(jīng)元組成的，而每個(gè)神經(jīng)元都在進(jìn)行信息的接收、處理和轉(zhuǎn)化工作。這些神經(jīng)元們通過級(jí)聯(lián)形成了一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)這個(gè)龐大規(guī)模的神經(jīng)元形成一個(gè)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的處理了。
 

    如果想獲得這些神經(jīng)元傳遞的信息，該怎么做呢？我們想的辦法就是在大腦里放入傳感器，監(jiān)聽這些神經(jīng)元的活動(dòng)?？墒巧窠?jīng)元那么多，傳感器應(yīng)該放在哪兒呢？
 

    講這個(gè)事之前，我們先來了解一下體育場(chǎng)效應(yīng)。大家去球場(chǎng)看球時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，前排看球看得更清楚；裁判員的位置可以自由活動(dòng)，能辨識(shí)每一個(gè)球員的動(dòng)作、聲音；后排可以看到整個(gè)球場(chǎng)乃至觀眾席；空中視野更開闊。那么觀眾買票時(shí)買哪里的票呢？很顯然，當(dāng)我們是去看球，而不是看球場(chǎng)時(shí)，就會(huì)想買前排的票。
 

    對(duì)于大腦，也是一樣的。在采神經(jīng)元的信號(hào)時(shí)，我們比較希望把這個(gè)傳感器放在離神經(jīng)元更近的位置，因?yàn)殡x得越近，清晰度就越高。
 

    目前，腦機(jī)接口有三種常見的傳感器置放位置。
 

    一種叫做EEG，是指把傳感器放在頭皮上。這個(gè)位置類似于在空中鳥瞰球場(chǎng)。EEG的方式不會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生創(chuàng)傷，但離腦神經(jīng)較遠(yuǎn)，信號(hào)清晰度較差。
 

    第二種叫做ECoG，是指把傳感器貼在腦皮層表面。ECoG的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)扎破腦組織，跟EEG比起來信號(hào)清晰度高很多。
 

    第三種就是“刺進(jìn)去”的情況了。刺入式是科研腦機(jī)接口領(lǐng)域的主流方式，這種方式所獲取的信號(hào)是清晰了不少，但對(duì)腦組織會(huì)有一定的刺入損傷，不能大規(guī)模使用。

    就目前來說，神經(jīng)信號(hào)的采集是一個(gè)“魚和熊掌不可兼得”的問題。選擇哪種方式好，就需要判斷誰是“熊掌”誰是“魚”。
 

    傳感器（神經(jīng)電極）離神經(jīng)元越近，清晰度越高|李驍健供圖
 

    最近比較火的Neuralink腦機(jī)接口公司，采用的就是這種刺入式的電極。Neuralink系統(tǒng)是一種非常小巧的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微型化。這個(gè)微型系統(tǒng)中有電極傳感器，也有專用的處理器芯片。Neuralink系統(tǒng)一共展示了兩款系統(tǒng)，一種是有線的系統(tǒng)，另一種是無線的系統(tǒng)。有線和無線系統(tǒng)的植入過程一樣，但傳輸信息的方式不一樣。無線版的優(yōu)點(diǎn)在于腦子上不需要“拽線”，可以自由活動(dòng)，但這也導(dǎo)致了采集的數(shù)據(jù)需要做很大的壓縮。無線版采用藍(lán)牙通訊，藍(lán)牙的無線傳輸帶寬比較低，但對(duì)執(zhí)行簡(jiǎn)單的腦控任務(wù)來說是夠用的。

    Neuralink芯片展示|Neuralink
 

    在中國(guó)，我們也有自己研發(fā)的寬帶植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)了，比如我正在做的植入式腦機(jī)接口的項(xiàng)目。在我做的這個(gè)項(xiàng)目中，傳感器用的是不刺入腦組織中的那種，用的是貼在腦皮層表面的柔性電極網(wǎng)。
 

    我們另一個(gè)研究成果是腦機(jī)接口專用芯片。和Neuralink芯片不同，我們沒有在一個(gè)芯片里放太多的信號(hào)采集通道，而是增加了16個(gè)性能很強(qiáng)勁的電刺激通道。也就是說，我們這個(gè)芯片不光能采集神經(jīng)信號(hào)，更能同時(shí)把這個(gè)信號(hào)寫到腦神經(jīng)中去的，讀和寫的功能可以一起完成。

  李驍健團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦機(jī)接口專用芯片|李驍健供圖
 

    我們實(shí)驗(yàn)室最近也研發(fā)了幾款，具有更高時(shí)空精度的微型ECoG電極陣列，采用了最先進(jìn)的納米復(fù)合增強(qiáng)技術(shù)，采集的神經(jīng)信號(hào)有更多的細(xì)節(jié)信息，對(duì)腦信息的解碼具有很大的幫助，應(yīng)該會(huì)比較適合用在腦機(jī)接口中。另外，我們創(chuàng)立了光納米神經(jīng)遙控技術(shù)，這樣未來我們就有可能制成那種免手術(shù)植入的全無線的腦機(jī)接口系統(tǒng)。
 

    植入式腦機(jī)接口的里程碑，患者通過虛擬鍵盤打字|圖片來源見水印
 

    植入式腦機(jī)接口已經(jīng)有幾十年的研究歷史了，從上個(gè)世紀(jì)的六七十年代開始，為了幫助殘疾退伍軍人實(shí)現(xiàn)生活自理，美國(guó)政府開始資助研究運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)，主要針對(duì)的是治療癱瘓這個(gè)角度。
 

    除了之前提到的例子，在2016年，第一個(gè)有觸覺的人腦控機(jī)器人出現(xiàn)了。一名患者因車禍出現(xiàn)了下肢癱瘓，上肢也不大能動(dòng)，他決定接受植入式腦機(jī)接口手術(shù)。手術(shù)后，這個(gè)患者控制機(jī)械手時(shí)比之前提到的例子要靈活，就是因?yàn)樵黾恿擞|覺信息。這位患者名叫內(nèi)森，在2016年還接受了美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬的接見，這也是腦機(jī)接口發(fā)展中一個(gè)重要的里程碑事件。
 

    腦機(jī)接口還有另外一種方式，就是通過功能電刺激，驅(qū)動(dòng)自己“麻醉”的胳膊和手完成一些腦控動(dòng)作。所謂的功能電刺激，就是通過設(shè)備上的電極頭，刺激肌肉群，然后動(dòng)作就能做出來。
 

    回到最開始，我們說的漸凍癥患者的例子。在2017和2018年，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了腦控敲擊虛擬鍵盤，以及上網(wǎng)發(fā)郵件的一些成果。這對(duì)于漸凍癥患者回歸社交活動(dòng)來說，是一種希望。

 

   2019年第一個(gè)人腦神經(jīng)解碼語音合成器
Anumanchipalli,G.K.,Chartier,J.&Chang,E.F.Speechsynthesisfromneuraldecodingofspokensentences.Nature568,493–498(2019).https://doi.org/10.1038/s41586-019-1119-1
 

    美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校公布的一項(xiàng)研究表明，我們可以對(duì)神經(jīng)活動(dòng)和聲音進(jìn)行分析和建模，將句子、單詞里面每一個(gè)因素都與喉部肌肉動(dòng)作相對(duì)應(yīng)。那么，當(dāng)采集到想說話的神經(jīng)信號(hào)時(shí)，就可以用語音合成器重建這個(gè)聲音?，F(xiàn)在合成的腦控聲音跟自然的說話已經(jīng)非常相似了。這個(gè)例子里使用的就是ECoG電極，它貼在腦皮層表面比較薄，基本上不會(huì)傷到腦組織，可以覆蓋比較大的腦皮層區(qū)域，剛好適合語音解碼。
 

    中國(guó)在植入式腦機(jī)接口研究領(lǐng)域才剛剛起步，但已經(jīng)取得了一些成果。比如，浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用商用腦機(jī)接口系統(tǒng)，在高齡志愿者身上實(shí)現(xiàn)了腦控機(jī)器人。這位志愿者通過自己的腦控機(jī)械手抓取到了油條，也拿到了可樂。
 

    2019年國(guó)內(nèi)首例臨床研究成果，成功實(shí)現(xiàn)高齡（72歲）志愿者的腦控機(jī)器人|浙大新聞辦
 

    除了前面介紹的運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口，最近腦機(jī)接口在難治性抑郁治療上也有突破。就目前的研究成果來看，對(duì)難治性抑郁的一兩例病人，腦機(jī)接口相關(guān)治療確實(shí)起到比較好的癥狀緩解效果。但有一個(gè)問題是，精神類疾病一般會(huì)在多個(gè)腦區(qū)出現(xiàn)異常，所以可能需要進(jìn)行多靶點(diǎn)的協(xié)同調(diào)控，提高治愈率，也更適合更大多數(shù)的疾病人群。因此，在這方面我們還需要更深入地研究調(diào)控的靶點(diǎn)，確定出最準(zhǔn)確的靶點(diǎn)和療法。
 

    在未來，植入式腦機(jī)接口會(huì)帶來什么樣的場(chǎng)景呢？前段時(shí)間去世的著名科學(xué)家霍金先生，他一生中的大部分時(shí)間其實(shí)都是癱坐在輪椅上的。如果給他配一個(gè)波士頓動(dòng)力機(jī)器人，給他做一個(gè)外骨骼機(jī)械的身體，再通過腦控的方式來控制，那么他是不是就基本可以去到任何他想去到的地方了呢？還有我們?cè)陂_始提到的電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中的情況，把腦神經(jīng)和電子機(jī)械軀體進(jìn)行融合的生存方式，或許在不久的將來也是有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)的。
 

    此外，未來的6G通訊技術(shù)，可能比現(xiàn)在的5G帶寬要寬千倍以上。這么大的帶寬就可以充分地支持，多人多地域腦信息的自由交流。也就是說，大家或許可以很自然地在整個(gè)地球范圍內(nèi)進(jìn)行意念交流，沖破空間阻礙。如果真能實(shí)現(xiàn)，那么健康的人也可能很想擁有自己的腦機(jī)接口。換句話說，腦機(jī)接口可以說是元宇宙的終極形式。
 

    
未來，腦機(jī)接口會(huì)有更大的應(yīng)用空間|Pixabay

 

    從治病救人的角度來講，去年美國(guó)國(guó)家藥監(jiān)局發(fā)布了《植入式腦機(jī)接口醫(yī)療器械的指南》，中國(guó)的藥監(jiān)局也在抓緊準(zhǔn)備相似的指南了。信息標(biāo)準(zhǔn)化部門也在制定腦機(jī)接口的通訊標(biāo)準(zhǔn)。這些都將幫助越來越多的腦機(jī)接口產(chǎn)品面世，給一些患者帶來生活質(zhì)量的改善。
 

    我們可以看到，腦機(jī)接口是一門科學(xué)，并不玄幻。從目前的研究成果來看，腦機(jī)接口的未來已來，但還有不少需要提升的空間，仍然充滿挑戰(zhàn)。