上个月马斯克宣布旗下脑机接口公司 Neuralink 获得了突破性新进展,在动物身上进行的实验已经获得成功。随后 Facebook 也宣布能够通过植入式电极直接读取人脑中的单词和短语。除了这两家公司之外,还有不少硅谷创企也在涉足这一领域。脑机接口领域存在的诸多困难和挑战并没有阻挡住大家的热情。然而,人类对大脑活动知之甚少的现状让掘金这块市场依旧显得遥遥无期。


以下是文章正文:

上月中旬,埃隆 马斯克(Elon Musk)宣布旗下脑机接口公司 Neuralink 取得了一系列新进展。这位硅谷明星创始人激动描述了一种“像缝纫机一样”的机器人,可以将超纤细的线植入大脑深处。Neuralink 公司声称,这种系统对大脑的损伤更小,最终将能够读写大量信息。

 

图示:Neuralink 脑机接口效果图


马斯克说,Neuralink 已经用缝纫机机器人对动物进行了至少 19 次手术,成功放置在动物大脑中的“线”电路使得动物能够用大脑直接控制机器,系统成功率达到了 87%。马斯克表示,Neuralink 研究团队已经成功让“一只猴子通过大脑来控制电脑”。其同时还透露,Neuralink 公司正在向美国食品和药物管理局(FDA)提出申请,最早将于明年开始对人类进行临床试验。

 

图示:Neuralink 脑机接口系统中的缝纫机机器人


马斯克指出,这些成果可以解决神经系统疾病,并最终被用于“实现一种与人工智能的共生关系”。他还说,“我们可以做很多事情来应对大脑紊乱和损伤,但这个过程会非常缓慢。”“这将是一个缓慢的过程,我们将逐步增加要解决的问题,直到最终打造出一个完整的脑机接口。

而在此之后不久的七月底,Facebook 也公布了其脑机接口项目的最新研究成果。据发表在《Nature Communications》杂志上的一篇论文显示,加州大学旧金山分校和总部位于匹兹堡的 Facebook Reality Labs 研究人员基于非植入的可穿戴设备构建出一个“大脑—计算机系统”,能够准确解码测试者在大脑中构思的单词和短语。

 

图示:Facebook 的“大脑—计算机系统”流程图


实验中,研究人员在几名正在接受正癫痫治疗的志愿者大脑表面放置一块电极,使用一种叫做皮层脑电图(ECOG)的技术直接记录大脑皮层的信号。在志愿者回答测试问题的过程中,研究人员会通过信号跟踪大脑负责语言和发音的区域,同时利用语音分析模型构建的机器学习算法从采集信号中解码特定语音。

 

但这种系统也需要在大脑中植入电极,是高度侵入性的。研究人员表示,这种系统只是对 9 个问题的 24 个标准答案进行了识别,系统的准确度为 61%至 76%。其效果还远远低于 Facebook 期望能够达到的实时解码速度。

 

但 Facebook 表示,这项研究有助于有语言障碍的残疾人恢复沟通能力。

 

脑机接口技术与 Neuralink

人类对于开发大脑功能总有着一种执念。考古学家发现,早在史前人类时期,有不少古人就会施以“环锯术”,也就是在颅顶位置挖出来一个洞。考古学家推测,他们这么做是为了“获得某种神秘的力量”。

 

图示:史前人类的“环锯术”


上世纪的科幻小说中也有将设备插入大脑以实现人类和计算机之间快速通信的想法。威廉·吉布森(William Gibson)在 1984 年的科幻小说《神经漫游者》(Neuromancer)中就提出了一个所谓 microsoft 的概念,即将一个较小的盒式磁带通过插座直接与大脑相连,为人类提供新语言等即时知识。这就是所谓的脑机接口(BCI),在大脑和外部设备之间建立直接的连接通路,让机器执行大脑信号所传达的指令。

 

自上世纪 90 年代起,科学家一直在研究如何用意念操控物体。近年来,随着人工智能等各项技术的创新和发展,很多脑机接口研究项目也获得了突破性进展。在 2014 年的巴西世界杯的开幕式上,年仅 14 岁的巴西高位截瘫少年身披通过大脑控制的“机械战甲”,开出了第一脚球,也让脑机接口技术正式为大众所熟知。

 

图示:2014 年巴西世界杯,巴西高位截瘫少年身披通过大脑控制的“机械战甲”开出第一脚球


成立于 2017 年的 Neuralink 公司主要研发的就是将设备植入人类大脑皮层的脑机接口技术。目前 Neuralink 已获得 1.58 亿美元的融资,其中至少有 1 亿美元来自马斯克。

 

Neuralink 公司上个月所宣布的最新成果就是一种可扩展的高带宽脑机接口系统,其由一个“缝纫机机器人”以及只有 4 至 6 微米粗细的柔性线路组成,整个脑机接口系统共有 3072 个电极,分布在大约 100 根柔性线路上。Neuralink 声称,他们开发的原型系统能够利用“缝纫机机器人”将柔性线路插入大脑组织,同时从许多神经元中提取信息。这些柔性线路上的电极会将检测到的脉冲信号传递给位于颅骨表面的处理器。

 

图示:Neuralink 公司的可扩展高带宽脑机接口系统


Neuralink 还专门为此设计了一个“N1 传感器”。这个直径约 8 毫米、高 4 毫米的圆柱体集成了 Neuralink 定制芯片,能够从多达 1536 个通道中读取大脑信号。同时,“N1 传感器”每秒可以从多达 1024 个电极上采集 20000 个分辨率为 10 个字节的样本,相当于每个通道大约读取 200Mbps 的神经数据。

 

图示:Neuralink 公司的 N1 传感器


在近期进行的演示活动中,该公司还展示了一个连接到实验鼠身上的系统,可以从 1500 个电极读取信息,它比目前嵌入人体的系统好 15 倍。

 

图示:Neuralink 公司的实验小鼠


虽然 Neuralink 公司的神经元信号提取技术似乎是最先进的,但其信号解释方面的进展似乎不大。马斯克表示,他的目标之一是让四肢瘫痪患者的打字速度达到每分钟 40 个单词。

 

专注于脑机接口研究的其他公司

像 Neuralink 一样,总部位于奥斯汀的 Paradromics 成立已经有三年之久,其正在积极开发一种植入式脑部芯片,目标是让患有失明、耳聋和瘫痪的患者与外界重新获得沟通和联系的机会。这种芯片获得了大额的种子资金支持,美国国防部领导的神经工程系统设计项目就为其提供了 1800 万美元的资金。

 

该公司专有的神经输入 - 输出总线(NIOB)封装了 5 万根模块化微丝,可以与多达 100 万个神经元连接并产生刺激信号,记录高达 30Gbps 的神经活动。目前这种产品正处于临床前开发阶段,预计 2021 年或 2022 年将进入人体试验,为帮助中风患者重新学习说话打下基础。

 

除了 Paradromics 之外,Kernel 目前也正专注于开发一种植入式的神经芯片。该公司雄心勃勃地宣称,未来它的技术会利用人工智能“模仿、修复和改善”人类的认知。

 

而 Cyberdynamics 公司则与布朗大学神经科学系的研究人员合作开发了一种名为 BrainGate 的大脑植入系统,旨在帮助那些失去肢体或其他身体功能控制的人重获新生。这种系统包括一个植入大脑的微电极阵列,其中有多达 100 个电极,可以感知神经元放电的电磁信号。此外还有一个连接到假肢或存储设备的外部解码设备。

 

2009 年,Cyberdynamics 开始以名为 BrainGate2 的项目进行临床试验。2012 年 5 月,BrainGate 研究人员在《自然》(Nature)杂志上发表了一项研究,表明两名几年前因脑干中风而瘫痪的人能够控制机械手臂来抓取物体。

 

非侵入式脑机接口

Neuralink 等公司的脑机接口技术都是一种侵入式技术,也就是说需要通过手术在大脑中植入芯片和电极。这种操作需要大量的医学知识,

 

Neuralink 的研究人员就表示,从短期来看,柔性线路必须在训练有素的外科医生指导下植入大脑的运动区域和躯体感觉区域。

 

这也意味着,这种系统在植入过程中需要开颅手术,也就存在脑部感染的风险。话说不是每个人都会为开拓大脑功能而冒这种生命风险的。

 

相对而言,非侵入式脑机接口技术的可接纳度就要高很多。

 

纽约初创公司 Ctrl-labs 就正在采取一种略微不同的、侵入性较低的方法将神经脉冲转换成数字信号。其开发平台 Ctrl-kit 利用差动肌电图(EMG) 通过轻量级皮肤传感器测量并提取清晰的神经元信号,特别是其能够提取由大脑到手部肌肉所传递神经脉冲引起的电位变化,从而将用户的意念转换为行动。Ctrl-kit 平台可以通过 16 个电极监控由运动单元肌纤维放大的运动神经元信号,并通过人工智能算法区分每条神经的单个脉冲。

 

图示:纽约初创公司 Ctrl-labs 的 Ctrl-kit 平台


这种系统独立于肌肉运动,相应技术能够检测到神经科学家们所说的动作电位,这使得它比应用脑电图(EEG)的可穿戴设备领先一步。而后者是一种通过头皮触点测量大脑电活动的技术。肌电图设备能够从更干净、更清晰的运动神经元信号中提取信号,因此只受到软件机器学习模型的准确性和接触皮肤的舒适度的限制。

 

2019 年 7 月,卡内基梅隆大学与明尼苏达大学合作取得了一项脑机接口领域的突破成果。研究人员利用无创神经成像技术和机器学习技术研发了一种新型脑机接口。实验中,使用新型脑机接口的受试者以无创方式控制机械臂,使得机械臂能以平滑连续路径跟踪计算机屏幕上的光标。

 

Facebook 也在研发非侵入式的脑机接口设备。2017 年 4 月,Facebook 旗下的前沿产品研发团队 Building 8 宣布,未来将通过非侵入式的可穿戴设备读取脑电图,最终达到控制输入目的。其负责人表示会开发出一个能以每分钟 100 字的速度从人脑向外传输语句的“帽子”。

 

该公司曾在博文中解释,神经元在活跃状态下会消耗氧气,因此如果能够检测大脑内氧水平的变化,人们也就可以间接测量大脑活动。“我们也可以使用类似红外光的媒介,以一种非侵入性的安全方式来测量大脑中的血液氧含量。这类似于核磁共振成像中测量到的大脑信号,但使用的却是由消费级零件制成的便携式可穿戴设备。”

 

图示:Facebook 的原型机


目前而言,相关的原型机体积庞大,速度缓慢,且不可靠。但 Facebook 仍然认为这种方案潜力很大。“虽然测量氧含量可能无法解码想象的句子,但是哪怕仅仅识别出几个简单的命令,比如‘主页’、‘选择’和‘删除’,都将为我们提供一种全新的交互方式。”Facebook 在文章中提到,这种方案的实现可能需要十年时间。

 

挑战重重

高辨识度的脑机接口无疑相当复杂:它们必须能够准确读取神经活动,还要找出哪些神经元在执行哪些任务。从过往研究上看,硬件上的限制导致设备在接触到大脑的多个区域会产生干扰性瘢痕组织。

 

当然,随着更为精细的生物相容性电极出现,这种情况发生了改变。这种电极可以限制瘢痕组织的产生,可以精确地瞄准目标神经元,还可以使用像 Ctrl-kit 这样的非侵入性外围设备。但根本问题在于人们对大脑的大多数神经活动过程仍然缺乏了解。

 

比如在大脑的前额叶和海马体等区域,很少有神经活动是孤立的。大多数神经活动发生在大脑的多个不同区域,因此很难确定其信号。由于研究人员尚未破解大脑的编码,把神经脉冲转换成机器可读的信息方面也存在不少障碍。比如说来自视觉的神经脉冲和人们在说话时产生的神经脉冲完全不同,有时研究人员很难识别信号的起始点。

 

此外,Facebook 们涉及脑机接口技术的举动也引发了人们对隐私的进一步担忧。“对我来说,大脑是一切自由的安全场所,”杜克大学(Duke University)神经伦理学专家妮塔·法拉哈尼(Nita Farahany)在接受采访时表示。“在没有任何保护措施的情况下,我们即将跨越隐私的最后边界。

然而,这些挑战和问题并没有阻止 Facebook、Neuralink、Paradromics、Kernel、Ctrl-labs 等公司竞相追逐脑机接口市场。据 Allied market Research 预计,到 2020 年脑机接口市场的价值将达到 14.6 亿美元。有一件事是肯定的:这些公司前面仍是漫漫上坡路。