“意念控制”:脑机接口技术有望改善人脑运作状态

核心提示:近日,“硅谷钢铁侠”埃隆·马斯克更是因为投资的脑机接口公司Neuralink再度成为全球焦点。杭州曼安智能科技总经理宋星向21世纪经济报道记者感慨,自马斯克的发布会结束后,近期明显感觉到投资机构和个人前来询问、了解相关信息者多了很多。

近日,“硅谷钢铁侠”埃隆·马斯克更是因为投资的脑机接口公司Neuralink再度成为全球焦点。杭州曼安智能科技总经理宋星向21世纪经济报道记者感慨,自马斯克的发布会结束后,近期明显感觉到投资机构和个人前来询问、了解相关信息者多了很多。

马斯克对脑机接口技术的关注,源于学界认为,这将是AI的下一代技术方向。但脑机接口的发展与AI又和而不同。AI在历史上因为技术流派和资金环境等要素的影响而几起几落,脑机接口由于技术门槛更高,实际上几十年来处于平稳发展阶段。在近期才突然成为“爆点”。

实际上,以国内为代表的“非侵入式”脑接机口公司正逐步将相关产品推向市场,借助这些技术,可以有机会让“不能言”者懂得表达,“不能动”者感受到能挥舞四肢的美妙。

“大脑远比肌肉的可塑性强多了。我们需要正视一个理论,人的学习好坏跟大脑先天无关,只是跟大脑的状态有关。”BrainCo创始人及CEO韩璧丞向记者总结道,脑机接口可以深刻改变每一个用到大脑的环节,在未来,与大脑有关的病症包括老年痴呆、抑郁症等,也有望通过脑机接口技术进行干预并实现改善。

“三条腿”的技术路线

根据马斯克旗下公司Neuralink的发布和此后Facebook投资研发团队的宣布,似乎都在向大众宣告:用人的“意念”进行表达甚至控制行动,已不再是遥远的“畅想”。

不过对于脑机接口领域从业者而言,马斯克带来的惊喜或许并没有那么大。早在几十年前,科学家们已经实现在人体测试,现在探究的更多是对精准度和安全性的突破。

宋星向记者分析道,此次Neuralink发布的技术贡献在于,此前“侵入式”方案仅有100多个电极阵列,如今被扩展到3000多个;以及可以将电极线探入大脑的手术变成微创级别。

“3000多个点击阵列密度算是世界范围内很高的了。”他称,人体大脑有上亿个神经元,Neuralink为代表的“侵入式”方案,意图是在每个不同区域,通过电极线进入大脑,捕捉并记录神经元信号。电极越密集,数目越多,采集的信息就越丰富。

当然也少不了医疗器械等外部技术的加持。“不过整体来说,Neuralink的进步主要来自材料科学,在微纳米加工技术加持下,更多电极可以承载在柔软的高分子材料上。但脑机接口的神经解码技术并没有太大突破。”宋星如此指出。

Neuralink作为非侵入式方案的代表,目前在实用过程中还需考虑各种外部因素。相比之下,“非侵入式”脑机接口方案因其安全性等特征,正以相对快的速度进行商用并普及到生活中。

这构成了当前脑机接口的三大技术方案:侵入式脑机接口、半侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。

具体来说,以哈佛为代表的大学主张非侵入式脑机接口,即无需进行脑部手术,通过外部机器直接捕捉脑电信号;斯坦福为代表的大学,主张侵入式方案,需要通过手术,在大脑中植入相关电极从而捕捉信号。

两条路线各有优势。非侵入式由于不用进行手术,相对更安全、稳定,但会被认为从外部捕捉的脑电信号精度不高;侵入式直接进入大脑,会捕捉到更精确的神经元信息,但手术本身会存在诸多需要考量的要素,此外,由于人体存在排异反应,从外部接入大脑的电极线在一段时间后会被大脑自动生成的膜组织包裹,从而导致捕捉信号效果衰减。

韩璧丞向21世纪经济报道记者指出,正因侵入式脑机接口方案需要进行脑部手术,会导致有较好手术效果(比如不会有术后感染症状)的案例极为有限。目前侵入式方案落地使用的案例,多为已患有严重疾病者,典型如斯蒂芬·霍金这类病人(霍金并未参与此类手术)。

至于半侵入式脑机接口方案,韩璧丞向记者介绍道,这不需将电极线接入大脑,但仍然需要进行脑部手术,将电极与大脑皮层连接。

在外部获取人体的脑电信号有多难?宋星举了个例子,这可类比在KTV环境中,判断飞进去多只蚊子的先后时间顺序。

“脑机接口解决的是,通过对脑电波进行降噪、滤波处理,将这些‘声音信号’抓取出来,并进行分析、识别并指导行动。”他进而表示,对于选择非侵入式路线的厂商来说,除了捕捉脑电波信号,还需要考虑到与皮肤接触的电极材料生物相容性是否良好、材料自身是否轻巧,与人体接触后不能产生太大噪声等。

脑机接口的技术绵延

韩璧丞向21世纪经济报道记者介绍道,学界认为,脑机接口是AI的下一代技术方向。但AI是让计算机像人一样,能看得懂、听得懂,脑机接口是对人类本身能力的强化。

“近年来应用落地取得长足发展,比如让学生学习效率提高的家庭端产品等,是建立在AI深度技术的成熟、算法和数据库完善基础上达成的。没有这些技术基础,如果从头开始研发,脑机接口可能还要演化20年。”他指出,在早年间,脑机接口技术经历过“死死生生”的过程,这是由于技术本身太难太新,很多人并不认同。

韩璧丞向记者介绍道,在最初,BrainCo是由哈佛大学脑科学中心和具备AI知识背景的博士或教授推动而成。“我们认为在脑机接口领域,未来会诞生类似今天Google和Facebook一样规模和影响力的大公司。”

BrainCo选择了重新组建架构的技术路线。韩璧丞表示,公司最初从材料学入手,找到能够达到很好采集、并保护脑电信号的材料,花费四年时间解决了导电性问题。在此基础上,又耗费了4年左右时间,进行架构和算法的重新搭建。

“我们注重医学性和AI算法的积累。所以大概4-5年前,攻克了材料难题并搭建好架构后。精力放在了算法和模式识别上。”他如此表示。

这就不难理解,作为一项涉及多种科学的交叉技术,脑机接口的发展是内外部因素共同推动的结果。

据宋星介绍,当前行业内有影响力的研究脑机接口公司和团队大多从知名学府中衍生而来,其涉及学科包括脑科学、精密仪器、微弱信号处理、计算机、人工智能、材料学等;辅助技术还包括工业设计、心理学、医学等知识。

“任何技术发展都会遵循‘木桶原理’,在未来,随着5G时代能实现大量稳定的数据传输,脑机接口的应用和形态可能都会发生新变化。”宋星向记者表示,云计算等架构模式之下,对脑电信号集约化处理的改变,未来也可能对人类生活方式带来影响。

技术演进与落地并进

“非侵入式”脑机接口技术其实已逐渐落地到我们的日常生活中。

据介绍,BrainCo目前主力产品包括两类,一类是训练集中注意力的头环,一类是智能假肢。对于训练集中注意力背后的技术原理,韩璧丞指出,其核心在于神经反馈,即基于脑电波可视化进行奖励的机制。“专注力提高了,可以被头环读取并在屏幕上显示,并进行奖励。学生会逐渐懂得保持这种感觉,掌握提高注意力的方法。因为大脑产生了记忆。”

韩璧丞表示,目前脑机接口在医疗领域将是刚需,另外在包括运动员、宇航员、驾驶员等专业领域也是一大落地场景。

不过,人才和资金缺口等技术密集型企业面临的特点,脑机接口同样存在。

至于未来技术方向,宋星向记者指出,芯片化可能是脑机接口技术的一个发展分支,尤其是侵入式方案的小型化过程中,有大量集成需求,集成电路能在其中发挥效用。“未来可能不会需要连接太多电极线,而是通过植入小型芯片达到功效。所以脑机接口的模块化、局部小型化会是必然。”

韩璧丞则告诉记者,未来希望建立人体脑电数据库,建成后这将成为技术上的一大壁垒。“通过采集人体的高精度脑电信号,完善对脑电架构的理解。要有足够大数据才能够发现脑科学更深入的秘密。”