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2020年8月末,特斯拉汽車創始人埃隆·馬斯克召開了一場新聞發布會。在會議上,馬斯克展示了三隻植入腦機芯片的小豬,人們可以通過顯示器來觀察豬的腦電波活動,并預測其行為。

馬斯克的直播吸引了全球15萬人的關注,人們紛紛讨論,這種可以讀取小豬大腦信号的腦機接口技術到底發展得如何了?未來會因此有哪些改變?

其實,在業内人士看來,馬斯克這場發布會更多像是一場演示給觀衆的表演,而真正核心的腦機接口技術,并沒有比此前推進太多。

早在2014年,腦機接口就有了真實的應用。在2014年6月12日聖保羅舉行的巴西世界杯開幕式上,一個下身癱瘓的巴西少年,依靠大腦控制機械骨骼的運動,順利開球,讓全球都目睹了這史詩級的一刻。而創造這一奇迹的,就是Miguel Nicolelis(米格爾·尼科萊利斯),美國杜克大學醫學院神經生物學教授、法國科學院院士、巴西科學院院士、暢銷書《腦機穿越》作者、2014年巴西世界杯“機械戰甲”發明者。

站在腦機接口領域巅峰的人

為了讓癱瘓者重獲新生,尼科萊利斯教授成為國際“再次行走計劃”的負責人,并将自己的研究成果在巴西世界杯開幕式上進行了應用。

他們首先用植入頭皮或大腦的電極來探測大腦的活動,随後将這些信号傳輸給佩戴者身上的電腦,再用電腦解析這些信号并将其轉換為運動指令。接下來,他們又為這位癱瘓少年設計了機械金屬支撐結構的外骨骼,來驅動少年的下肢。這樣一來,癱瘓少年的意念就能通過整套裝置傳輸到機械戰甲上,驅動機械戰甲運動,最後成功開出這一球。

這一幕被全球數十億人觀看,引發了熱烈的全民讨論。尼科萊利斯教授用實踐告訴所有人,他,是站在腦機接口這個領域的世界巅峰那個人。他被美國科普雜志《科學美國人》評為全球最具影響力的20位科學家之一,其研究被《麻省理工科技評論》評為10大最具突破性的科技創新之一。

那麼,腦機接口是什麼?尼科萊利斯教授又是如何在這個領域深耕的呢?

所謂腦機接口(brain-computer interface,BCI),顧名思義就是大腦與外部設備之間進行直接的連接,實現大腦與設備的信息交換。就像大腦可以控制我們四肢和全身的活動一樣,腦機接口的目的就是通過大腦來控制外部的其他設備,比如上面提到的機甲等等。

尼科萊利斯教授是在這個領域深耕了很多年的專家,他在解讀大腦信号上的卓越貢獻之一,就是設計研究出更加複雜、覆蓋大腦區域範圍更大的多電極分布方式來獲取神經信号,并把腦機接口的應用水平推到了“完全使用意識控制機器”的前沿。

在上世紀90年代,尼科萊利斯就用多電極分布的方式在小鼠上實驗了神經信号獲取腦機接口,成功解讀了小鼠的一些大腦活動。接下來,尼科萊利斯将其應用到靈長類夜猴身上,解碼了夜猴的大腦活動,并将其通過互聯網遠程傳輸到機械裝備上,結果在夜猴看不到的地方,機械臂成功重現了夜猴的運動方式。

有意思的是,他們進一步将其應用到恒河猴上,不過這一次是先把恒河猴和機械臂進行關聯,再讓機械臂實時模拟猴子的動作。很快,猴子學會了這一套操作,并似乎在某種程度上理解了這種操控。接下來猴子就安靜不動了,純粹依靠自己的意識來遙控機械臂,就仿佛機械臂長在自己身上一樣。

這一研究首次實現完全使用意識來操作機器,可以說開辟了腦機接口實際應用的先河,也為2014年在世界杯上展示的那一幕奠定了基礎。

當然總的來說,目前腦機接口的研究還處于起步階段,因為核心制約因素在于如何解讀大腦的信号。

人類破解大腦的百年計劃

大腦是由無數神經元構成的一個組織,我們日常的一舉一動都受到大腦控制。而大腦的控制,以及大腦的思考和動作,本質上是神經元信号在相互作用傳遞信息。

神經元彼此之間無時無刻不在傳遞着電信号,每一個動作都可以形成一個信号,最終形成了我們的意識。我們的每一個動作,每一個思考都會形成非常多的電信号。

因此,隻要我們破解了這些信号的傳遞過程,那麼我們就可以破解人的意識,進一步再把信号轉換為我們的機械操作。

不過,理想是美好的,現實是骨感的。大腦的電信号,無論是複雜程度,還是信号總量,簡直是一個天量。哪怕我們簡單的動一下手指,皺一下眉頭,背後都是無數神經元在活動的結果。因此這些年來,我們甚至沒有破解出一個簡單動作的所有大腦信号。不過,作為生命醫學科學的桂冠,全世界都在密切關注,并願意為之付出巨大的努力。無論中西,都相繼開啟了一系列大腦信号破解的項目工程,這些工程被譽為21世紀曼哈頓工程,預計需要100年的時間完成。

目前初步已經在實施的計劃包括:

1、人類連接組項目(Human Connectome Project)

這是美國國立衛生院NIH從2009年開始資助的一個5年項目,項目的目的是使用不同的腦成像技術(主要是靜息态功能磁共振,彌散磁共振成像,EEG、MEG等作為補充),繪制出不同活體人腦功能、結構“圖譜”。

2、推進創新神經技術腦研究計劃(簡稱“腦計劃”)

2013年4月2日由奧巴馬政府公布,該計劃旨在探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖,并最終開發出針對大腦疾病的療法。

3、人腦工程研發計劃

将由瑞士洛桑聯邦理工學院教授亨利·馬克拉姆牽頭,來自世界各地的87個研發團隊共同實施。這一項目計劃用十年時間,利用計算機制造“活”的人腦模型。具體而言,研究人員需将人類大腦切成8000片,而後利用高性能掃描儀進行數字化處理,繪制人腦詳圖;同時利用超級計算機描繪和模拟大腦所需的海量數據,最後将成千上萬的神經元模型形成局部模型,組裝為一個可正常運轉的、完整的人類大腦模型。

4、中國腦計劃

已獲國務院批示,并被列為“事關我國未來發展的重大科技項目”之一,将從認識腦、保護腦和模拟腦三個方向全面啟動。目前中科院的九個卓越中心裡,涉及到生物和醫學的唯一中心就是依托上海生科院的“腦科學及智能技術卓越創新中心”。

盡管徹底完成對大腦信号連接的解讀需要耗費數十年甚至上百年,但是并不等于我們需要等到最終完成的那一天。事實上,這些年來,對于大腦信号連接的解讀一直沒有停滞。

比如在2013年,科學家利用功能性磁共振成像技術将志願者睡眠時的大腦活動記錄下來,整理出3人睡夢中的一些常見内容,比如樹、男人等,并将這些内容分成大約20個類别;然後又與3人清醒狀态下見到相似場景時的腦活動相比較,得出每個類别的腦活動特征。

最終結果是,研究人員開發的電腦程序能學習、識别并破譯出這些腦活動特征,準确率高達60%。這是一個非常淺顯的、就像我們看小孩子玩泥巴似的實驗,但是是一個非常重要的證據,證明我們的大腦活動是可以被理解和解讀的。

可以預期的是,未來随着我們對大腦連接的解讀進一步加深,總有一天,我們會徹底破解大腦的秘密。而腦機接口的應用也将會一馬平川——

未來肢體受損的人,不單單是更換一個假肢,而是一個真正可以用大腦控制的肢體,不僅跟我們自身的肢體一樣易用,而且還更耐用且可更替;人類也可以用意識直接來控制更多的機器,比如在發生地震、火災等災害的地方,再也不需要消防員親自進入,而是可以通過專業消防人員的意識,來操控機器來進行靈活的救援。

顯然,這是一個非常值得期待的未來。

11月7日,騰訊科學WE大會上,Miguel Nicolelis教授及數位全球頂尖科學家将為大家分享最新科學突破。一起來線上赴約吧

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