2020-09-11 05:59:01 來源：科技日報
腦機接口正從科幻走向現實
讓人腦連接電腦，有些問題應未雨綢繆
像人類一樣思考一直是人工智慧不斷追尋的目標。目前，儘管人工智慧的應用場景不斷拓展，但其與人類思維還存在著明顯的差距，對於人腦的認知始終影響著人工智慧的發展，如何了解和模擬人腦已成為迫切需求。本期兩篇文章所涉及的研究——腦機接口和類腦計算機為我們帶來了這方面的前沿信息。
——編者
打開人類的頭顱，植入電子晶片，讀取腦電波，獲取海量知識，這種科幻電影中的橋段正在逼近現實。8月29日，知名電動汽車公司特斯拉的創始人埃隆·馬斯克旗下的腦機接口初創公司Neuralink，演示了最新一代侵入式腦機接口設備（Brain-Computer Interface，BCI），並展示了大腦被植入了該腦機接口的三隻小豬。
馬斯克發展腦機接口的初衷是希望用機器來提高人腦智力，從而與人工智慧機器人抗衡。裝進大腦的智能設備，似乎跟智能穿戴設備沒什麼區別，只是它可以清晰讀取大腦的信號。有人說，這就像是一個「潘多拉魔盒」，一旦打開，其潛力幾乎是無限的，人類的發展也會迎來重大的改變。
天津腦科學中心主任助理、天津大學神經工程團隊許敏鵬副教授表示，這次發布的腦機接口設備，主要的突破是對採集電極陣列進行了高度集成，並將數據由有線改為無線傳輸，支持無線感應充電，有助於腦機接口設備的微型化、便攜化發展。不過，BCI技術距離大規模商業化應用還有一定距離，此外，其對人體健康的影響以及數據安全等問題也不容忽視。
高度集成採集電極陣列，設備微型化
據報導，Neuralink演示的這款BCI比硬幣還小。通過全自動化設備可在30分鐘內完成大腦植入手術，無需全身麻醉，當天就能出院，而且手術是可逆的。BCI可實現神經信息的上傳、儲存、下載甚至修改，把意念轉化為可被計算機識別的數據信號。
「從近幾次的發布會來看， Neuralink團隊目前的工作集中在腦電信號的採集方式上。」許敏鵬認為，對於這次發布的BCI設備，主要突破是對採集電極陣列進行了高度集成，即將1024個通道集成排布到只有硬幣大小的「貼片」上。除此之外，Neuralink也將數據由有線改為無線傳輸，並支持無線感應充電，這對BCI設備的微型化，便攜化發展有一定的促進作用。
「設備的微型化、便攜化一直是數字革命的一大發展方向。」許敏鵬舉例說，以最熟悉的電腦和手機為例，1946年世界第一臺計算機誕生時佔地170平方米，重達30噸，但隨著工程技術的發展，我們現在的筆記本可以輕至1千克，且運算速度遠高於第一臺計算機，這也才有了我們在車站、高鐵上的移動辦公；手機也從最初的「大哥大」發展為極其輕便的智慧型手機，甚至在一定程度上可以代替電腦，為我們的生活帶來了極大的便利。
BCI從第一次提出至今，設備在性能、體積、重量上也有了非常大的改進，這種微型化的發展為智能穿戴BCI提供了重要的技術支撐。「也許在未來BCI設備就像智能手環一樣方便，我們只需想一想，它就能識別我們的想法，完成一系列的操作。」許敏鵬說。
目前天津大學團隊也在集中攻關BCI設備，期待未來3—5年內可以提供大規模商用的解決方案。
倫理上存在爭議，保護信息安全是關鍵
對BCI技術的應用，一直有反對意見。如360創始人周鴻禕就認為，人類可以允許BCI技術在臨床醫學上用來治療和幫助一些殘障人士、精神疾病患者等，但應該嚴格限制BCI技術的使用範圍。因為當每個人都變成「數字人」以後，數據保護將面臨巨大挑戰。
對此，許敏鵬表示，現有BCI的信號採集技術，讀取的還是用戶在特定時間內執行特定任務時的腦電波，即需要用戶接受和遵循相應的交互協議，如根據協議要求，執行想像自己左手握拳的任務，否則所採集到的是交互協議外的意念信息，這種自由意圖信息目前是無法解碼的，因此尚不存在利用BCI竊取協議外個人隱私信息的問題。
「不過，科學和工程的發展常常帶來重要的倫理問題。」許敏鵬說，一方面，BCI相關的神經技術風險是未知的、不可控的，例如腦深部電刺激、侵入性微電極陣列等，它們可能會引起不可預料的大腦重塑、組織反應或感染的風險等，這方面目前尚未有系統和全面的研究。
另一方面，BCI採集的信息中含有用戶的個體信息，這會涉及到隱私安全問題。因此要求研究人員在設計上把風險減至最低程度，以避免出現信息洩露、黑客攻擊等問題。同時建立健全相應的體制和監管政策，使一切信息採集活動都有跡可循，切實保護用戶隱私。
醫療領域前景廣闊，但數字永生還很遙遠
目前BCI技術可分為侵入性和非侵入性，侵入性BCI技術需要通過外科手術將信號檢測電極植入大腦皮層。
「馬斯克最新發布的『LINK V0.9』作為侵入性BCI技術，具有較高的信噪比和良好的時間、空間解析度。但難點是研發具有高靈敏度和高穩定性的電極陣列，以記錄目標神經元群的信號，同時最小化環境幹擾。電極材料、結構等的選擇與設計，長期記錄電極性能的評價，植入點周圍微環境的變化等方面也是影響侵入性BCI研究的難題。」許敏鵬認為，長期植入人體的健康安全風險也不容忽視，這或將成為其最大挑戰。
而非侵入性BCI安全性高，適用人群更加廣泛。但由於大腦皮層活動產生的神經電信號穿過顱骨等組織層後，信號質量大大削弱，並損失了大量有關大腦皮層神經電活動信號源的時空分布信息，所以非侵入BCI的一個重大難點是要從噪聲大、混疊嚴重的腦電信號中提取並識別微弱的目標腦電特徵，這需要從感知機制到軟硬體協同創新予以克服。
馬斯克在發布會中表示，未來人們可直接用意念就能與別人進行交流，還可以用意念召喚甚至駕駛一輛特斯拉。
「腦控汽車只是BCI眾多應用場景的一個縮影，目前BCI技術在醫療健康方面顯示出了巨大的應用潛力，也在部分疾病的康復和改善方面形成了較好的效果。」許敏鵬舉例，比如目前已經商業化的人工耳蝸，它能代替人的耳蝸把聲音信息轉變為電信號，然後直接刺激聽神經纖維，從而產生聽覺，為重度耳聾、極重度耳聾或全聾患者提供了恢復聽力的可能。
此外，視網膜神經假體技術通過在視網膜附近植入電極陣列來刺激神經細胞，以治療因視網膜光感受器退化變性引起的失明症，目前在美國、德國等一些醫院已經開展了相關的臨床試驗。在腦卒中康複方面，BCI技術也有較大的應用空間。比如天津大學神經工程團隊研發的「神工」系列人工神經康復機器人，將BCI與神經電刺激技術結合，為腦卒中患者提供了主動性的康復訓練，顯著改善了卒中患者的生活質量。
「BCI技術還引發了人們對數字永生的暢想。人們希望將思想與記憶上傳雲端，使意念像在線的幽靈一樣，在數字空間中實現永生。」許敏鵬表示，雖然BCI在神經信號的讀取、寫入等方面都顯示了巨大潛力，但目前BCI研究仍然處於較初級的階段，對眾多的腦機理，如：記憶是如何存儲的等問題依然知之甚少，所以距離用BCI技術實現數字永生仍很遙遠。
編輯：肖天