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《攻壳机动队》中的脑机接口到底能不能实现?

2017/04/19 来源:环球科学
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导读
和古希腊人希望在天上飞翔一样,今天的人们渴望将意识和机器融合到一起。有人甚至将这种方式看作绕开死亡的途径之一。然而,意识能否直接和人工智能,机器人,或者其他意识通过脑机接口(BCI)技术连接,从而打破人类自身的局限性?


撰文 | Rajesh P. N. Rao, James Wu

翻译 | 刘彬

和古希腊人希望在天上飞翔一样,今天的人们渴望将意识和机器融合到一起。有人甚至将这种方式看作绕开死亡的途径之一。然而,意识能否直接和人工智能,机器人,或者其他意识通过脑机接口(BCI)技术连接,从而打破人类自身的局限性?

过去的50年中,来自全球各大学实验室,公司的研究人员在实现这个目标的道路上取得了令人瞩目的进展。最近,埃隆·马斯克(Neuralink,“神经交联”公司),布莱恩·约翰逊(Kernel,“内核”公司)等成功企业家已宣布成立新的公司,致力于研究通过脑机接口提高人类的能力。

我们离真正成功能实现将自己的大脑和技术产物连接到一起到底有多近?如果我们的意识能被“插入”,又将带来哪些影响?

起源:复健医学和机能恢复

传感运动神经工程中心(CSNE)的研究员埃博·菲兹(Eb Fetz)是最早将机器与意识连接到一起的先驱人物之一。1969年,在个人电脑都没被发明出来的时代,他证实,猴子可以通过放大他们的大脑信号控制表盘上指针的运动。

近期在脑机接口技术方面的大部分工作都旨在提高瘫痪或严重运动障碍人士的生活质量。你可能已经读到过一些相关成就的报道:匹兹堡大学的研究人员利用记录在大脑中的信号来控制机械臂。斯坦福大学的研究人员可以从瘫痪患者的大脑信号中提取运动意向,使他们能无线使用平板电脑。

类似地,一些受限的虚拟感觉可以通过在脑内或脑表面传递电流的方式被发送回大脑。

对于严重视力障碍人士来讲,早期版本的仿生眼已经商业化,目前正在进行新一代改进版本的临床试验。另一方面,耳蜗植入物已经成为最成功最普遍的仿生植入物之一——全球超过30万的用户借助人工耳蜗来获得听力。


一种被用来探测大脑表面的电信号变化的脑皮层电测试电极片正在进行电学性能表征。

目前最复杂的脑机接口技术是双向脑机接口(BBCI),该技术能同时记录并刺激神经系统。科学家希望将双向脑机接口技术作为一种根治中风和脊髓损伤的医疗工具。我们已经证明,双向脑机接口可以用来加强两个脑区或大脑和脊髓之间的联系,重新规划损伤区域周围的信息传导,从而恢复瘫痪肢体的功能。

看到迄今为止所有的这些成果,您可能认为脑机接口将成为下一个消费者必备小工具。

大门才刚刚打开

但是仔细看一下目前脑机接口技术的展示成果,他们揭示了我们仍有很长的路要走。相对于健康人类四肢活动的简简单单,借助脑机接口技术产生的运动要慢很多,更不精确,能做的活动也不能那么复杂。仿生眼只能提供低分辨率的视觉,耳蜗植入物能电子化传递有限的言语信息,但会扭曲对音乐的体验。而为了能让这些技术发挥作用,必须手术植入电极——这种前景提案大多数人根本不会考虑。

然而并非所有的脑机接口技术都是侵入性的。确实有不需手术的无创脑机接口,他们通过基于来自头皮的脑电(EEG)信号记录实现运动控制,目前已经应用在控制光标,轮椅,机械臂,无人机,人形机器人甚至脑对脑通讯领域当中。

脑机接口技术能借助在所需对象或者位置闪烁时大脑的反射性应答,使机器人得以推断出要捡起哪个物体并将其放到哪里。

但是所有这些展示都在实验室当中——房间安静,被试对象不会被分心,技术设置漫长而繁琐,显示出概念的可行性之后实验就会结束。事实已经证明,让这些系统能迅速,稳定地在现实世界中应用,是非常困难的。

即使使用植入电极,“读心”还面临另一个难以解决的问题:我们大脑的结构到底是怎么样工作的。我们知道,每一个神经元及与其连接的成千上万相邻结构构成了难以想象的巨大而不断变化的网络系统。这对于神经元工程师来讲又意味着什么呢?

想象一下,您正在尝试了解一大群朋友之间关于一个非常复杂主题的对话,但是您只能被允许听取一个人的意见。您可能能弄清楚谈话的粗略主题,但绝对不是整个讨论的所有细枝末节。因为即使我们最好的植入物也只能让我们一次听到大脑的几个小块,我们能做出一些令人印象深刻的事情,但是无论如何我们也无法理解完整的对话。

另外就是语言障碍问题。神经元通过复杂电信号和化学信号的相互作用彼此通信。这种自然的电-化学语言可以通过电路来进行诠释,但这并不简单。类似地,当我们利用电刺激返回去跟大脑讲话的时候,语言当中将带有浓重的电“口音”。这使得神经元难以理解其他所有神经活动中正在尝试传达的内容。

最后还有损坏问题。脑组织柔软而富有弹性,而大多数导电材料——连接到脑组织的电线——往往是非常坚硬的。这意味着植入性的电子设备通常会导致瘢痕和免疫反应,从而使得植入物将随着时间的迁移失去作用。具有弹性的生物相容纤维和材质在这方面可能最终会有所帮助。

依然乐观?

尽管面临这所有这些挑战,我们对仿生学的未来仍感到乐观。脑机接口不一定非要完美。我们的大脑具有惊人的适应性,能以类似学会驾驶汽车或者使用触摸屏等新技能的方式学习使用脑机接口技术。相似地,即使采用非侵入性,如利用磁脉冲信号来传递信息时,大脑也可以学会诠释新类型的感官信息。

我们认为最终能获得一个“共同适应”的双向脑机接口,电子元件和大脑共同学习,并在学习过程中和大脑不断的交流反馈,这可能将被证实是建立神经桥梁的必要步骤。构建这种能共同适应的双向脑机接口是我们中心的目标。

对于使用“电子药物”靶向治疗糖尿病的最新成果,我们同样也感到万分激动——这是一种能通过向人体内部器官直接传达命令替代传统药物来治疗疾病的实验性植入装置。

研究人员已经发现克服电信号和生化信号间语言障碍的新途径。例如,可注射的“神经蕾丝”(neurallace)可能将被证实是一种有希望能逐渐允许神经元沿着植入装置生长而不是拒绝他们的有效方法。基于纳米线的弹性探针,柔性神经元支架和玻质碳纤维交互可能最终也能允许生物性结构和技术性机体在我们的身体中愉快共存。

从辅助到提增

我们的大脑能在持续白热化的人类与人工智能间的军备竞赛中脱颖而出。他希望通过连接技术产物来提高人类大脑自身的能力——可能能够帮助我们避免遭遇潜在的反乌托邦式的未来,在那种未来中人工智能的能力远远超过自然人。

这样的想法可能看起来很遥远虚幻,但是我们不能仅仅因为新颖陌生就忽略一个想法。毕竟,无人驾驶汽车在在十几年前还被归类于科幻——可现在他们已经驶上公路。

在不久的将来,随着脑机接口超越使残疾人恢复健康这一功能,进军到提升健全个体,赋予他们超越人类自身能力的新领域,我们需要敏锐的意识到这将牵扯到与知情同意权,个人隐私,身份,组织管理以及不平等性有关的诸多问题。

在我们中心,一组由哲学家,临床医师和工程师组成的团队正进行协作,积极地去处理这些伦理,道德和社会公平正义相关的问题,以求在这个领域发展的太过成熟之前提供神经伦理学方面的准则指南。

将我们的大脑直接和技术产物连接可能是一个类似历代以来人类通过技术提高自身能力的自然而言的进步:从使用轮子打破双足的局限性,到利用泥板纸张加强记忆,我们一直都有同样的需求。和现在的电脑,智能手机,虚拟现实头盔一样,当扩增性脑机接口最终进入消费市场,会令人振奋,也会令人沮丧,有风险,同时又充满希望。

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