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大脑植入芯片,马斯克的 Neuralink 脑机接口距离佩戴还有多远?

2020-08-31 综合报道 阅读:
最近,马斯克展示了其脑机接口在赛博朋克猪脑中的生动试验,虽然他称可以解决听觉、记忆力、中风和成瘾等问题,但是在科技界与神经脑科医学界引起了极大的争议,脑机接口技术到底到了哪一步,未来走向将如何呢?

本月初,EDN电子技术设计刚刚报道了《马斯克 Neuralink 公司的脑机接口被爆有安全隐患,或被黑客劫持删除记忆》,8月29日,马斯克展示了其脑机接口在赛博朋克猪脑中的生动试验,虽然他称可以解决听觉、记忆力、中风和成瘾等问题,但是在科技界与神经脑科医学界引起了极大的争议,脑机接口技术到底到了哪一步,未来走向将如何呢?Vbaednc

北京时间2020年8月29日6点40分,埃隆·马斯克召开Neuralink发布会,向世界展示了一只大脑植入脑机接口设备的“赛博朋克猪”(Gertrude)植入设备后,小猪不仅仍然活蹦乱跳,且其每一步动作的大脑电信号都可以直观的在大屏幕上显示。Vbaednc

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马斯克脑机接口技术

EDN电子技术设计网了解到,Neuralink成立于2016年,为马斯克旗下公司,该公司行事低调,2017年才正式进入人们的视野,其在官方账号中表示致力于“开发高带宽的脑机接口来链接人类和机器”。Vbaednc

但在业内人士看来,马斯克此次的脑机接口试验距离Neuralink最终的目的——人类脑机接口还有很长的路要走。Vbaednc

中国科学院大学模式识别与智能系统博士OwlLite表示,目前脑机接口学科要实现工业应用面临控制理论的原则性限制与复杂性理论缺失两个根本性难题。“换言之,马斯克这次展示的内容在应用价值上并没有突破,人类临床实用仍然不大可能。”Vbaednc

脑机接口试验。来源:Neuralink官网Vbaednc

新技术——硬币大小的脑机接口,植入当天即可出院.Vbaednc

在发布会一开始的PPT中,马斯克就抛出了他的“宏伟构想”:“脑机接口可以解决的问题包括听觉缺失、记忆力缺失、中风和成瘾等等”,他接着拿出了一枚硬币大小的设备,表示这就是最新研制的脑机接口。Vbaednc

马斯克表示,植入该设备只要一天即可出院,手术会绕开血管,不会有明显损伤。他接着向观众展示了一只已经植入Neuralink设备两个月,但依然活蹦乱跳的健康小猪,当小猪在场地中行走时,其脑电波信号通过脑机接口设备传输到了大屏幕上,以图像+声音的形式向观众展示了出来。“若通过这样的方式试验在人体上,可以感知甚至改善大脑的活动。”马斯克表示。Vbaednc

我们注意到,此前Neuralink2019年夏天曾对外公布过的脑机接口设备在耳边设置了一个信号接收盒,Vbaednc

2019年Neuralink技术状况

2019年7月17日,那时,Neuralink首次对外宣布成果——一款脑机接口系统。其原理是用长得像缝纫机一样的机器人,向大脑中植入超细柔性电极来监测神经元活动。整个系统包含3000多个电极,它们与比头发丝还细的柔性细丝相连。Neuralink还定制了一款微小芯片,可以通过 USB-C 的有线连接方式传输数据。Vbaednc

 Neuralink2019年发布的缝纫机器人Vbaednc

Neuralink2019年发布的缝纫机器人Vbaednc

据Neuralink称,该装置一次可以监测1000多个神经元的活动。在计算机视觉软件的帮助下,机器人可以避免撞击血管,减少大脑损伤和疤痕组织的形成。Vbaednc

当时,Neuralink表示计划寻求美国食品药品监督管理局(FDA)的批准,最早于2020年开始对人类进行临床试验。而临床试验的目标是在瘫痪患者的头骨上钻4个8毫米的孔,将电极植入大脑,使患者能够用自己的想法控制电脑和智能手机。Vbaednc

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Neuralink2019年发布的第一个脑机接口效果图Vbaednc

2020Neuralink技术现状

对比来看此次马斯克展示的设备有了很大升级,与2019年展示的脑机接口设备不同的是,最新一代的Neuralink设备是完全无线的,使用感应充电。Vbaednc

 Neuralink设备Vbaednc

Neuralink设备Vbaednc

Neuralink设备直径23毫米,厚度8毫米,拥有1024路连接。Vbaednc

 2019年展示的设备位于耳后(左),右侧为最新设备Vbaednc

2019年展示的设备位于耳后(左),右侧为最新设备Vbaednc

马斯克说,设备首次推出时将“非常昂贵”,但他希望能够把价格降至数千美元。Vbaednc

多伦多大学神经科学研究人员莫法认为,这一技术的突破点在于新型芯片的尺寸(Neuralink的芯片直径约为23毫米)、可移植性、储存信息的能力和无线传输的功能。Vbaednc

但相对于此次的技术突破,Neuralink公司目前正陷入窘境。Vbaednc

美国医疗媒体STAT近期对Neuralink的五位前雇员,以及四位相关领域专家和竞争对手进行了匿名采访。报道称,Neuralink 希望用科技公司的方式——即快速行动,打破常规,来实现医疗上的目标。科学家被要求在几周内来完成需要几个月才能完成的工作,这造成了巨大压力,情况最终演变成为神经科学家和工程师之间的反复争执,双方对公司的领导和策略问题发生分歧。几位前雇员表示,在这类冲突中,马斯克通常站在工程师一边。Vbaednc

STAT表示,Neuralink公司初期有8位科学家,最近公司只剩下了2位科学家。Vbaednc

在此次发布会上,马斯克也为Neuralink站台招人,他表示,Neuralink需要生物、外科、材料、化学等各种背景的人,“你不需要有大脑相关的工作经验。”Vbaednc

浏览Neuralink官网发现,该官网首页极其简洁,马斯克此次发布会的视频被放在了显眼位置,而后就是大幅的“招聘广告”,招聘的职位包括植入系统工程师,神经学工程师等,Vbaednc

“脑机”研究发展史

1924年,德国精神科医生汉斯·贝格尔发现了脑电波。人们才发现原来人的意识被转化为电子信号后是可以被读取的。自此,脑机接口研究便已经萌芽,但直到上世纪六七十年代,这些技术才初现雏形。Vbaednc

1969 年,一位名叫埃伯哈德·费兹的研究员将猴子大脑中的一个神经元连接到了仪表盘。当神经元被触发的时候,仪表盘的指针会转动。如果猴子通过某种思考方式触发该神经元,让面前这个仪表盘的指针转动起来,就能得到一颗香蕉味的丸子。在香蕉丸子的诱惑下,猴子开始擅长这个游戏。这只通过训练学会了控制神经元触发的猴子,偶然地成为了第一个真正的脑机接口被试对象。次年,美国国防高级研究计划局(DARPA)开始组建团队研究脑机接口技术。Vbaednc

90年代末,脑机接口研究迎来新浪潮,1999年和2002年先后有两次BCI国际会议召开,并且此前已经有了通过手术将芯片与人脑连接,通过大型主机远程控制其他设备的成功案例。Vbaednc

同一时期,科幻电影《黑客帝国》上映,其中就有在脑后插入电缆后传输知识、控制设备甚至改变现实的情节,这在当年已经不是脑洞大开的幻想了,而是基于既有研究的合理想象。Vbaednc

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事实上,在大脑里,我们已经拥有很多可以实现的技术了,与此同时还有很多新的可能性在不断地发生。除了控制义肢,将大脑信息传输至外部还能做到更多,而植入性技术将帮助我们做到这一点。Vbaednc

我们可以通过植入性的新技术来治疗一些难治的脑部相关疾病,这些疾病包括视力损失、听力损失、癫痫,还有我们所熟悉的一些比较可怕的疾病,包括帕金森症、抑郁症等,还有一些疾病会导致人体瘫痪。研究人员们希望能通过神经元的修复,把这些信号进行有效的传输,并且通过机器来进行很好的控制。Vbaednc

研究人员们希望能把这种技术运用到大脑之中,在大脑中可以接收这些信号,通过植入可刺激神经的芯片,来将其和脊柱神经元联系在一起,用以恢复大脑和身体的功能。研究人员已经在猴子身上进行了这样的实验,希望能通过传感器和处理器、可穿戴设备,能从外部促进听力、视觉恢复的机器,植入到体内,促进大脑功能的恢复。Vbaednc

人的大脑和机器的界面叫做人脑机器界面,新的技术也已经在医疗实践中付诸应用,不管是什么样的设备,包括像治疗癫痫的设备,生物传感器都可以进行很好的植入和应用。Vbaednc

默罕默德·萨万教授团队的研究

罕默德·萨万教授是西湖大学教授,他所领导的团队在脑机接口方面有较深的研究。Vbaednc

捕捉脑内信息

视觉是非常重要的功能,如果某位患者眼睛失明了,那么他的视网膜就无法接受到信息。如果要通过植入技术解决这个问题,就需要进一步深入了解到视网膜的成像的机理是什么,我们通过对视网膜功能的探索,通过大脑的成像,通过微型的设备,可能是毫米甚至是更精准的仪器,将它们植入到我们的大脑中,然后通过天线,小的射频单元,以及其他小的芯片,将不同的功能在大脑中植入,这些芯片能提升我们的听力、视觉,能促进眼部的信息在大脑中进行成像,使失明患者能看到我们所看到的事物。Vbaednc

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此类研究还有些很多新兴领域是关于大脑视觉部分的。人的大脑中能将眼睛看到的东西进行成像,那我们能看到不同的颜色是基于什么样的原理?实际上是由于视觉信号的传递。研究人员可以通过有效的功能优化,通过芯片上的控制单元和、收发机的植入能更好地进行研究。视觉上的植入,我们可以看到具体的图像是如何进行成像的,而对这些功能的分析,最后在大脑中进行精确的修复。Vbaednc

为了完成以上过程,我们首先需要了解的是,在大脑中如何进行不同信号的获取和的传输。在这个环节就需要使用到不同的芯片来捕捉大脑中的这些过程。不同的脑部芯片都具有相应的差异,这些芯片能够发挥不同的功能对电信号进行记录,能够接收不同频率脑电信号。芯片的这些工作可以让我们了解到大脑中不同的区域发生的问题是什么,通过这些对应脑内相应部分的“工具”,它们可能仅仅是两毫米非常小的设备,就能在大脑中帮助我们恢复这些功能。Vbaednc

脑内芯片的应用

研究人员们已经在猴子身上进行了不同的实验。众所周知,猴子的大脑和人脑有些相似的地方,通过在猴子身上进行类似的实验,能够验证这些芯片是否能够保证信号的传输。首先已知猴子们并没有失明,研究人员们会先进行解码,了解到猴子如何看到信息的,然后进行效仿,最后对这样一个机制进行模拟。通过对猴子大脑的解码,能够更好地帮助研究人脑功能的修复研究。Vbaednc

针对不同的脑电波频谱,芯片能够针对不同的脑部区域来进行正确的记录。再来看一下芯片内部的结构。之前提到过这类脑内芯片设备是非常低能耗的,不需要有任何电池,所以可以直接把芯片设备植入到头皮当中进行工作。当然,我们还有最新的技术能够做到这样的系统,比如信号可以传递几米,这里有很多芯片可以用来进行有效的记录和传递。Vbaednc

机器学习与脑部芯片的未来发展Vbaednc

即使现在有了很多新的技术,但是癫痫治疗依然非常困难,虽然科学家们持续地在推进治疗方法和手段,但是精准预测癫痫发作依然是个难题,这也是此类医疗技术未来的发展方向。Vbaednc

从机器学习的角度看,很多分类算法已经发展的非常成熟,所以我们可以考虑针对不同类别的病例,利用已经累计起来的脑部活动信息数据,对机器学习算法进行定向的训练。通过深度学习可以更加提高我们对癫痫发病的预测。Vbaednc

全球有很多团队都在研究包括脑电信号传输,或者是其他的研究方向。默罕默德·萨万教授做的工作主要集中在,诸如对信号源的解读,分析、传输、预测,他们还尝试做了一些应用,这些项目有不同的分级、不同的服务,还有针对不同患者的定制化的产品。其他的研究机构或大学,比如多伦多大学,都正在这一领域进行重要的研究。Vbaednc

针对于现有的技术,根据不同的模型进行能耗的优化,这是西湖大学正在做的一项工作,也是默罕默德·萨万教授团队最新的目标和愿景。通过训练形成机器学习作出病情预判,这不是一个新的概念,这个概念在1975年的时候就已经出现,发展至今有很多科学家都已经在这方面作出了非常大胆的尝试和努力。Vbaednc

多层感知机模型(图片来源于网络)Vbaednc

多层感知机模型(图片来源于网络)Vbaednc

比如伟博斯在1981年的神经网络反向传播(BP)算法中具体提出多层感知机模型。虽然BP算法早在1970年就已经以“自动微分的反向模型”为命名提出了,但直到现在才真正发挥效用,并且直到今天BP算法仍然是神经网络架构的关键因素。Vbaednc

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脑机接口距离科幻电影还有多远?

在科幻电影中,人们可以直接通过机器转移记忆,学习技能。那么,马斯克的脑机接口未来能否实现科幻电影中的场景?此次发布会展示的科技成果让人类在脑机接口领域走出了多远呢?OwlLite对此表示,马斯克此次展示的脑机接口“仅仅是一个好的实验设备”,不足以扭转基本的物理和生理原理。Vbaednc

有生物学领域相关专家告诉记者,Neuralink此次的演示在工程学方面有所突破,“比如脑机接口更小了,安装更便捷了,但仍然只是‘看上去很美’,因为脑机接口要实用,就必须做到在人脑皮层/神经元中解析出有用的控制信号,但目前这类理论严重缺失,我们并没有破解人类大脑的能力,马斯克的演示成果也没有一点涉及这方面。”Vbaednc

查阅资料发现, 目前科学界支持人机接口领域的理论基础较为陈旧,目前人类科学水平对人类大脑神经元通信的理解非常有限,还无法破解完整的大脑信号。此外,脑机接口技术的最终目的是达成脑-机接口闭环,但目前的技术仅仅支持从大脑到机器的通路,即从大脑提取信号再反映到外部世界,控制机械等。外部信号通过机器直接传入大脑是无法做到的,因此例如《黑客帝国》中直接从电脑下载程序学习功夫、开飞机等桥段在现实中无法实现。Vbaednc

早在2003年,美国杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯团队就成功让恒河猴通过脑机接口控制了机械手,而根据浙江日报今年1月的报道,浙大求是高等研究院“脑机接口”团队1月16日宣布,已经完成了中国第一例植入式脑机接口运动功能重建临床转化研究。72岁的高位截瘫患者完全利用大脑皮层脑电信号,精准控制外部机械臂与机械手,实现三维空间的运动。Vbaednc

相比这些此前的研究成果,马斯克的演示并未有多少新鲜内容,有从事相关工作的网友表示,“虽然现在是2020年但我觉得自己活在10年前”。Vbaednc

在OwlLite看来,过去几十年,脑机接口技术中的电极和探针越来越精密,但对于人脑的复杂性来说,提高十个数量级也不到九牛一毛,远不到用脑机接口解读人脑的时候。Vbaednc

马斯克称,目前已经拿到了FDA(美国食品和药物管理局)的许可,但OwlLite告诉记者,FDA的试验许可不难拿,但从目前马斯克展示的成果来看,尚不足以说服审查机构放行人体实验,“个人估计至少还需要补充恒河猴这样的灵长类动物试验”。OwlLite介绍,目前在脑机接口领域较为前沿的是匹兹堡大学的一个研究小组,“他们已经有截瘫病人配合试验,马斯克基本是重复他们的路线。”Vbaednc

而对于马斯克在发布会开场时表示脑机接口可以解决的听觉缺失、记忆力缺失、中风等问题,OwlLite表示目前这些问题都不能解决,“现在人工耳蜗只是接线,没有任何编码解码,而对于解决记忆力缺失问题,记忆和意识是什么?目前没有人知道。”Vbaednc

“现有脑机接口技术仅仅是初步解决脑—机方向的输出和控制问题,但控制效率和准确率很低,这主要在于基础原理限制,因此不从根本上重构现有脑机接口技术,脑机接口应用还将继续是一个‘有潜力的方向’,根据现有情况来看,脑机接口技术还离大规模商业实用有很远的距离,它更适合待在实验室里。”OwlLite总结道。Vbaednc

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中国神经外科专家:40分钟即可完成

原武警部队总医院副院长、神经外科专家、主任医师张蕴增表示:Vbaednc

马斯克公开宣布脑-机试验在动物大脑手术已成功,因为我是从事神经外科专业,专门做开颅手术,自该项新闻在报端公布后,不少同志好奇的问这项手术难度大吗?开颅手术在人的大脑内置入一个金属芯片对人有影响吗等有趣的问题。Vbaednc
首先我可让人明确的说,象这类手术对任何一个有一定临床经验的神经外科医师来说,都是一非常普通的手术,它比起脑瘤切除、脑内出血清除等颅底手术要简单很多,通俗地说就是小菜一碟。手术采用局部麻醉即可,头皮做一小切口,去除小片颅骨(术后再将颅骨片放回原位),将己消毒杀菌后的芯法植入大脑,手术随及结束,整个手术过程一般在40分钟左右,基本不超过1小时。如真的到那时,脑-机接口普及应用,我也愿意为大家服务做开颅按装。Vbaednc

网友评论:Vbaednc

有网友@金丹道法评论:第一代产品肯定低级的,以后大概率会出不用手术植入的脑机接口产品。Vbaednc

其他更多网友表达了期待和调侃:Vbaednc

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对脑机接口和类脑研究有兴趣的朋友可以加入我们进行探讨。Vbaednc

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责编:ChalleyVbaednc

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