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植入式脑机接口还可以帮助残疾人进行写作
发布时间:2021-02-26 10:59    文章作者:亚美游戏

  在脸书关于2019年的预言中,希望创建一个能让人们将自己的意识直接变成文本的系统,速度为每分钟100个单词。

  而就在不久前,美国斯坦福大学两位教授,成功实现了世界上首次通过脑机接口完成的快速精准字符输入:他们让3名受试瘫痪者,通过想象在电脑屏幕上输入了心中想说的线个单词。

  脑机接口也称大脑端口或脑机融合感知,是把大脑神经信号与外部机械直接交互起来的技术,分为单向脑机接口(计算机或者接受大脑传来的命令,或者发送信号到大脑,但不能同时发送和接收信号)和双向脑机接口(允许大脑和外部设备之间进行双向信息交换,就像人的大脑既发出行动指令,又能感受身体各部位传达到大脑的感觉)。

  脑机接口最初于20世纪70年代提出,目的是帮助四肢残疾和脊髓受损的人重新行走或重新支配上肢,以完成各种生理功能。在探索中,脑机接口已经出现了两种路径:一是植入式(侵入式),二是感应式(非植入式或非侵入式)。现在,这两种形式都获得了初步成功。

  在大脑皮质区植入微小芯片植入式脑机接口是最早获得研究突破的,也就是在大脑的特定皮质区植入微小的芯片(电极),以收集大脑的生物电流(电信号),并破译这种信息,转换成计算机指令,指挥机械手或腿,帮助残疾人行动和完成动作,如拿勺子吃饭。美国凯斯-西储大学的研究人员鲍卢阿基博伊团队在今年3月28日的《柳叶刀》杂志发表的文章称,他们利用植入式脑机接口帮助瘫痪了8年的名叫比尔科切瓦尔的病人,能用自己的手吃东西。2006年,科切瓦尔遭遇自行车事故,之后他的身体自肩膀以下瘫痪,这是因为脊髓受损导致的,来自大脑的信号无法传递给肌肉,他既不能行走,手臂又不能做动作。为了帮助科切瓦尔,研究人员通过手术将两个微型芯片植入科切瓦尔的大脑,以收集其大脑控制手部活动区域的神经元发出的信号。芯片通过外部电缆与一台计算机连接,由此芯片收集的大脑信号可传递到计算机,后者再向他的手臂和手部肌肉上的电极发送指令。通过几年的练习,科切瓦尔可以指挥自己的手拿着吸管喝咖啡,还可以自己用叉子吃土豆泥、通心粉和奶酪。另一方面,这种脑机接口还可以采用指挥机械臂的方式帮助残疾人。由于科切瓦尔长期瘫痪,其肩膀不够强壮,无法抬起手臂,医生也帮他安装了一个机械手臂以提供额外的帮助。也就是说,大脑指挥手臂的指令也可以传到机械臂,让机械臂做出动作,如吃饭、喝水等。植入式脑机接口指挥自己的手臂要比指挥机械臂更容易一些,但二者都需要患者进行较长时间(半年以上)的练习,通过虚拟的想象和发出指令,指挥手臂或机械臂行动,做出动作。植入式脑机接口还可以帮助残疾人进行写作。荷兰乌特勒支大学医学院神经科学家尼克拉姆齐的团队,为一名2008年被确诊患有肌萎缩侧索硬化症的女病人布瑞金植入一种特制芯片,已经帮助她能自由写作了。布瑞金的大脑皮质运动区被植入了两个电极,一个安装在大脑中负责右手运动的位置,另一个则安装在发出动作指令的区域。这些电极同时连接着安装在布瑞金胸部的一个发射器(与起搏器大小一样),发射器可以与她面前的计算机屏幕进行无线通信。当布瑞金注视屏幕时,会看到虚拟键盘上有一个可移动的光标,光标移动到她想选择的字母上时,她必须想象右手点击了那个字母。电极会收集这些信号,传递到发射器,然后传递到计算机和屏幕上。经过六个月的训练,布瑞金就能正常使用这套脑机接口系统,打字正确率达到95%。非植入式:

  在头部佩戴EEG帽子无创脑机接口就是不对大脑进行手术植入微芯片,而是代之以在头部佩戴一个包含多个电极的脑电图扫描仪(EEG)帽子,收集并记录头部产生的微弱的生物电信号,然后放大这些电信号。随后,这些信号会被输入一台计算机,通过先进的信号处理技术和机器学习算法,将记录下来的这些“思维信号”转化为行动。此前,英国理论物理学家霍金使用的轮椅,就装备了类似的非植入式的EEG帽子,可以收集霍金的大脑生物电流信号,并解读其指令,指挥霍金眼部肌肉进行眨眼,每一次眨眼都应对一个字母,通过多次组合,电脑能写出霍金想要写下的词语,因此这个过程很慢。现在,美国明尼苏达大学的何兵(音译)团队发展和深化了这项技术。此前,大脑神经科学的研究人员都知道,大脑皮质的运动中枢会发出一种电波(律动,约10Hz振荡),这是人清醒时脑电图中呈现的一种快速活动电波,也是指挥人行动或运动的一种指令。同时,通过磁共振成像和EEG成像技术发现,人在大脑想象运动(虚拟运动)产生的脑电波跟实际运动产生的脑电波十分类似。在此基础上,何兵团队让志愿者戴上EEG帽子,以提取大脑想象运动时的同步或去同步信号,然后训练计算机对人脑的状态(意图)进行分类,并将控制信号发送至机械臂,看看能否让机械臂产生实际运动。有13名健康者头戴EEG帽完成了试验,其中有7名女性,平均年龄为27.3岁。他们都学会了利用意念(虚拟运动)来控制机械臂在空中活动,以抓取物体。所有志愿者控制机械臂从货架上抓取物体的成功率都在80%以上,同时把物体放回到货架上的成功率稍低一些,只超过70%。头戴EEG帽的本质与植入式脑机接口只是采集大脑信号的方式不同,但有共同的机理,即采集和解读人脑的生物电信号。当人类运动或者想象运动的时候,大脑皮质运动中枢的神经元会被激活,产生微弱的电流。同时,人在想象做出不同的动作时,会激活各种不同的神经元组合。这些神经信号就可以被植入的电极芯片和EEG帽收集和放大,并输送到计算机,计算机经过解析,发出指令,让机械臂运动。科学伦理侵犯隐私思想?

  同样面临的伦理难题脑机接口发展到今天有更新、更宏伟的目标:一些科技巨头设想,让脑机接口应用于正常人,并且分成了两个流派,即植入式和非植入式,前者以特斯拉CEO埃隆马斯克为代表,后者以脸书创始人扎克伯格为代表。马斯克的脑机接口采用的是向大脑植入芯片的方式,名称就叫神经连接,但是,在对大脑植入多少电极方面首先存在问题,目前最多能做到用两百个电极控制几百个神经元,但他们的目标是控制一百万个。不过,除了手术(开颅)外,如何采用其他更平和的方式植入,以及避免排异反应和对接无线神经信号接收和破译方面,还有很多问题要解决。扎克伯格的非植入式脑机接口设计是,使用传感器,如EEG帽激活大脑皮质的语言中心并收集该中枢的生物电信号,当人想要说话时,大脑的这部分区域会活跃起来,并把词语组合起来,准备就绪后便会说出来。非植入性脑机接口就是采集大脑的这种语言信号,输送给计算机,让计算机解码后说出话来,或记录下大脑的想法,这将比人说话所获得的信息多得多。这两种脑机接口除了路径不同,原理是一样的。但是,非植入式比植入式更安全,反过来,植入式收集的大脑信号比非植入式更为强烈和明确,因此二者都有利有弊,由此也形成了竞争。不过,最重要的是,如果要对正常人应用脑机接口,在技术和伦理上都需要克服巨大的难题。通过探索,人类会慢慢弄清自己大脑的各种电信号是什么含义,但接下来会面临一连串的伦理和法律问题。其中,最基本的问题是,如果有人凭借这种脑机接口提前知道人们的想法,侵犯人的思想隐私时该怎么办?面对脑机接口的危险,已经有研究人员提出提前立法来预防,以保护人们的思想自由不被剥夺,包括认知自由权、思想隐私权等等。(张田勘)


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