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大脑植入装置将赋予未来人类“阿凡达”般能力

2019/11/15 9:22:03来源:新浪科技作者:叶倾城责编:微尘评论:

据国外媒体报道,大约两年前,丹尼斯·德格雷(Dennis Degray)向朋友发送了一条不同寻常的短信,他回忆称,我手中拿着手机,无需手指操作,通过大脑神经系统将短信文字发送至其他手机,这是非常神奇的事情!

现年66岁的德格雷于10年前跌倒,身体从锁骨以下位置处于常年瘫痪,2016年,他接受一项外科手术,将两个凸型电极植入大脑运动皮层(该区域负责控制身体运动),此后奇迹发生了!植入电极记录大脑神经元活动性,并转换成为外部活动,通过想象用手操控操纵杆,他能够移动光标选择屏幕上的字母,基于大脑神经元活动,他甚至可以在亚马逊网站上购买商品,并移动一只机械手臂堆砌积木。

2、丹尼斯·德格雷使用“犹他阵列”大脑植入物在计算机屏幕上操控光标。

一位神经学家称,大脑植入相当于赋予患者“阿凡达”超能力

德格雷大脑植入的设备叫做“犹他阵列(Utah arrays)”,因为他是“大脑之门”项目的一位参与者,该项目是美国一项长期运行的多元化研究,用于开发和测试创新神经技术,旨在恢复思维能力健全的瘫痪、截肢或者神经变性疾病人群的通讯、移动和独立性。

虽然“犹他阵列(Utah array)”已被证实植入大脑是可行的,但这项技术仍需进一步完善,为了植入该设备,德格雷选择了开颅手术,此外该设备并非无线装置,从颅骨延伸一个插槽,通过机器学习算法进行解码,将脑信息传输至计算机,该装置能够完成的任务以及执行情况是有限的,因为它仅能记录大脑中大约880亿个神经元中的几十至几百个神经元(每个电极通常只能记录1-4个神经元)。

3、图中是Neuralink公司研发的一种类似缝纫机的机器人,可将电极插入人类大脑。

而且这种情况不太可能持续下去,“犹他阵列”植入大脑形成的疤痕组织会逐渐在电极上积累,导致信号质量逐渐下降,当实验结束之后,德格雷的“心灵感应”能力将不复存在。

美国麻省总医院神经学家、布朗大学工程学教授利赫·霍赫贝格(Leigh Hochberg)称,在全球范围内仅有几十人大脑植入“犹他阵列”,并取得了显著效果。据悉,他是“大脑之门”项目合作者之一,但是患者使用该系统全天候提供完整、快速、直观的人机模式并不现实。

这样的情况可能指日可待,近年来,美国硅谷脑-机接口领域注入新活力,在“大脑之门”和其他项目的鼓舞下,一些著名企业家和信心十足的初始公司开始研发新一代大脑植入装置,这些装置最终不仅能帮助德格雷和其他残疾人群获得行为独立性,而且适用于所有人。例如:Facebook公司正在积极开发非侵入性脑-机装置,同时,该公司正在研制无线神经植入系统。

4、科幻电影《阿凡达》剧照。

今年7月,特斯拉公司首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)展示了旗下Neuralink公司正在研发的可植入无线系统,他透露称,这种无线系统已在猴子身体上进行了研究,有望在2020年前进行人体试验。迄今为止,Neuralink公司获得1.58亿美元资金,其中1亿美元来自马斯克。

虽然Neuralink公司最新研制的大脑植入装置与德格雷大脑中的“犹他阵列”体积大小相近,但它拥有更多的电极,意味着它可以记录更多的神经元,“犹他阵列”通常有100个电极,仅有4-5个电极植入大脑组织,相比之下,Neuralink公司研制的大脑植入装置多达1000个电极,预计能将10个电极植入大脑。

5、电影《阿凡达》具有心灵感应效果的“神树”。

机器人将“缝合”电极在极薄的柔性生物兼容聚合材料,Neuralink公司希望改善大脑创口结疤,马斯克表示,我们的目标是转录和刺激大脑神经元,神经元数量等级远超过之前历史记录、并且更加安全,使其不像一个大手术,这个过程将更像是激光手术,而不是脑部手术。

他强调称,医疗方面的担忧推动了大脑植入设备的发展,但是该技术潜在着人工智能产生的威胁。

Paradromics公司是类似Neuralink的小型初创公司,该公司更专注于研制更多、更小的电极,但它的目标是在神经植入物表面安装更高密度的探针,从外形上看,他们的设备将更接近于“犹他阵列”——带有金属电极的探针阵列,而且不涉及机器人手术。Paradromics公司创始人、兼首席执行官马特·安格尔(Matt Angle)称,我们希望尽快打入市场,预计在本世纪20年代初投入临床试验,迄今公司已筹集大约2500万美元,其中包括来自美军五角大楼国防部高级计划研究所(DARPA)的大量资金,该机构意识到海外战场受伤士兵需大脑控制的精密机械手臂,随后对脑机接口技术(BCIs)非常感兴趣。

相比之下,Synchron公司采取了不同的策略,近期该公司披露称,公司最新研制的电极支架(Stentrode)设备已在澳大利亚首次进行临床试验,领先于Neuralink和Paradromics公司。

该设备不会导致开颅手术和留下瘢痕,因为它是用支架通过后颈部静脉插入的,一旦支架放置在靠近运动皮层位置,支架就会散开,将16个金属电极嵌入血管壁上,记录神经元活动性。迄今为止,一位因运动神经元疾病而瘫痪的患者已植入电极支架,另有4位患者即将接受试验。

Synchron公司执行总裁汤姆·奥克斯利(Tom Oxley)称,目前电极支架的安全性以及脑-机控制系统如何实现电脑打字和手机发短信仍有待深入研究,虽然电极支架仅能读取神经元细胞总体活动性,大约可探测1000个神经元细胞,这些数据对研究患者病情已非常充分,同时该信号的细微差别很小,更加稳定。

与此同时,Neuralink和Paradromics公司仍存在着技术挑战,是否可以通过非常小的电极来减轻疤痕还亟待观察,此外,还有电极被人体溶解和腐蚀的问题,电极越小,存在的问题就越严重,迄今专家仍不清楚Neuralink公司研制的金属电极探针能使用多长时间?

“除了打字,还能实现更具体的一些任务吗?大脑指令可实现智能语音?是否可实现大脑之间信息通讯?或者可以实现强化记忆?”

美国密歇根大学神经接口研究员辛西娅·切斯特克(Cynthia Chestek)说:“没有人会对这些初始公司印象深刻,除非他们开始以年为时间单位记录患者对这些产品的终身使用情况,但是人们可以测量这些产品使用期限内对患者的实用效果。”

从事大脑植入技术多年的美国匹兹堡大学生物医学工程师Takashi Kozai称,此外,即使能够记录所有这些神经元信号,我们能进行解码处理吗?目前我们并不了解大脑是如何工作的,试着解码这些信号并实际生成一些有用数据是非常困难的事情,更多的理解神经元计算能力将有很大的帮助,如果将所有可利用算法应用于几百个神经元,将取得更好的效果。

目前这3家公司都未看到短期的非医疗应用,但他们认为,随着人们开始看到植入技术可以带来巨大的变革,该技术可能逐渐延伸至普通人群。

最显著的应用可能是大脑控制打字处理,奥克斯利设想了这样一个情景:在手机短信和电脑打字时代环境中成长的人(完全依赖手指操作完成),随着年龄的增长,将逐渐失去部分操作能力,他们会因无法保持输入速度而感到沮丧,他们可能会寻求其他方法来保持自己的技术能力,最终他们会看到脑机接口技术(BCIs)比较适合人类身体,并将它作为人类能力变革的一个引爆点。奥克斯利说:“如果这项技术变得安全,应用便利,而且提供更好的技术控制,那么就会有人愿意付费。”

除此之外,人们还不知道该技术是否有更广泛的应用,对智能音箱提供大脑指令?人脑控制汽车驾驶?大脑之间的信息通讯?增强记忆和认知能力?

牛津大学实用伦理中心副主任汉娜·马斯伦(Hannah Maslen)博士称,如果这项技术能够超越医学领域,可能最先应用于军事,例如:可以在士兵之间提供无声通讯,或者通过大脑思考某些指令激活设备。她强调指出,很难看到大多数人出于娱乐或者便利使用而接受外科手术,但近期在旧金山举行的一次神经技术交流会上,大约有20多位专家参加,乔纳森·图米姆(Jonathan Toomim)是参加技术交流会的一位神经学专家,他说:“我们已使用一些智能设备(例如智能手机),扩大人们的认知能力,增强人们的记忆力,它是将人类大脑彼此之间的带宽提升至一个更高的水平。”

近期,英国皇家学会发表一份关于这个话题的报告总结称,未来几年,公众应该对神经接口技术的使用和监管方式产生更清晰明确的认知,人们担忧的一个问题是数据隐私。汉娜表示,虽然大脑接口技术被描述为“阅读思维”和“解码思维”,但是人们不禁担心这些技术将发掘内心最深处的秘密,记录与运动相关的较小大脑区域,并要求思维方式配合设备运行,但是出于个人隐私的伦理考虑,人们不必完全依赖和遵循这项技术。

此外,还存在许多亟待解决的问题,谁拥有这些大脑数据?这些大脑数据有什么用途?同时,“脑数据黑客”一旦入侵脑-机系统,潜在诸多安全漏洞,他们会以大脑主人不同意的方式进行修改。

马斯伦称,脑-机系统源于现实,而不是科幻小说,之前心脏起搏器也被黑客入侵过。Paradromics公司的马特·安格尔(Matt Angle)想知道大脑接口数据在多大程度上可以作为法庭证据,例如:用计算机记录大脑意识和行为,从而对某人定罪处置。

进一步的伦理问题出现在控制和代理方面,如果大脑植入设备未能正确理解你的意图,你作为设备使用者在多大程度上要对“说”或者“做”负责?同时,我们如何确保一项技术能够产生显著的益处。

社会民众仍需几年时间来思考这些问题,Neuralink公司的目标是实现人类临床试验,目前该目标预期明年年底实现被认为有些不切实际。但是一些专家预测称,该技术将在5-10年内为残疾人士提供服务,对于非医疗用途,实现时间将更长,也许需要20年时间。

对于麻省总医院神经学家利赫·霍赫贝格而言,我们将聚焦于那些最需要帮助的群体。处于瘫痪状态的德格雷在接受记者采访时说:“如果可以的话,我希望今天植入一个!”

这是大脑植入的替代方案?

一个可穿戴、非侵入性脑-机接口设备,无需进行脑部手术,可以随意穿戴,这将是非常有吸引力的装置,但是头骨阻碍了大脑神经元信号的读取,密歇根大学的辛西娅·切斯特克表示,设计一种非侵入性脑机装置极具挑战性。

不管怎样,一些公司仍在努力尝试,2017年Facebook公司宣称,计划研制一款可穿戴设备,可实现大脑指令控制文字输入,达到平均每分钟输入100个单词(相比之下,Neuralink公司研制的脑-机装置最多可实现平均每分钟输入40个单词,这相当于每分钟平均打字速度,“大脑之门”项目使用犹他阵列植入大脑,可实现平均每分钟输入8个单词)。今年7月,美国加州大学研究人员基于大脑活动性首次展示了对一组完整、口语单词和短语的解码,尽管该装置是通过手术在大脑表面放置皮质电描记电极来完成,与此同时,该公司继续研究如何以非侵入性方式达到相同效果,并积极探索利用近红外光测量血液氧化模式——神经元活动时消耗氧气。

美国宾夕法尼亚大学研究新兴神经技术的伦理、法律和社会影响的安娜·韦克斯勒(Anna Wexler)表示,假设技术问题能够克服,但社会因素仍是一个重大障碍,谷歌智能眼镜的失败不是因为它易损坏,而是人们不希望整天在眼睛上戴着一个微型电脑。

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