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红杉汇|靠“意念”就能行动，脑机接口是怎么做到的？| 红杉爱科学


红杉汇|靠“意念”就能行动，脑机接口是怎么做到的？| 红杉爱科学
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在1999年的影片《黑客帝国》中 ， 主人公尼奥通过脑后的接口与计算机相连 ， 像下载程序一样学会功夫、柔术等一系列技能 ， 这一幕构成人们对脑机接口（Brain Machine BMI）最初的印象 。 事实上 ， 现实版本的科幻片正加速到来 。 8月29日 ， 一只行动自如的小猪成功吸引了人们的眼球 ， 原因在于它们脑部通过手术 ， 在头骨都植入了一个只有硬币大小的芯片设备 。 这个新设备就像个大脑里的Fitbit ， 可以用手机里的APP控制 。 美国《细胞》杂志近日也刊登了重磅论文 ， 宣告脑机接口领域的重大突破——使瘫痪者成功恢复运动能力 ， 触觉准确率高达90% 。 脑机接口正在成为全世界脑科学的热点 ， 国际科学界和产业界近年来都对这一领域加大了投入 。 未来 ， 它有望带给人们越来越多的惊喜 。 本文 ， 我们将为你呈现人类在脑机接口领域的不懈探索 ， 以及其未来的发展方向 。 2020年 ， [红杉汇]推出全新栏目“红杉爱科学” ， 将更多地把目光投向前沿科技领域 ， 追寻现象背后的深层次答案 ， 聚焦硬科技最新突破 ， 探索关乎人类生存方式的科技进展 。 红杉汇|靠“意念”就能行动，脑机接口是怎么做到的？| 红杉爱科学
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马斯克的脑机接口新设备到底怎么用？直播中展示了一只头部植入设备两个月活蹦乱跳的健康小猪 。 植入芯片后 ， 它脑内的电波信号 ， 清晰可见 。 通过脑电路图 ， 可以预测到小猪关节的位置 ， 和实际的位置几乎完全吻合 ， 从而可以预测出小猪身体里的运动 。

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通过这样的方式 ， 如果实验在人体上 ， 也可以感知甚至改善大脑的活动 ， 解决听觉缺失、记忆力缺失、中风等等各类问题 。事实上 ， 人机交互 ， 脑机相连 ， 已经不再是幻想了 。 几年前 ， 来自美国俄亥俄州的瘫痪患者科切瓦·比尔就借助一项Brain Gate技术实现了脑机结合 。 他的头顶上有两个接口 。 两个阿司匹林大小的微电极阵列植入他的运动中枢 ， 96个记录电极穿透大脑皮层1.5毫米 ， 孜孜不倦地捕捉神经元之间的微弱脉电冲 。 他的左侧是一个显示神经活动的屏幕 ， 前面是一个模拟手部握拳的动画 。 实验开始后 ， 他紧紧盯着屏幕 ， 集中注意力想象握拳的样子 。 屏幕上开始出现密密麻麻的绿色波段 ， 它们经由算法解码成极其复杂的代码 ， 发送到植入在比尔手中的电极上 。 随后 ， 比尔僵硬的手指开始缓慢地收缩 ， 艰难地完成了握拳和吃土豆泥等动作 。 比尔所能做到的看似简单的动作背后 ， 是人类一个多世纪的探索 。 1
人类对大脑的探索源自上个世纪 。 19世纪末 ， 德国精神科医生汉斯·伯格观察到电鳗自体会产生电流 ， 这让他联想到人体大脑中是否也有这样微弱的电流 。 终于在1924年 ， 他在自己儿子的头皮上第一次记录了人类大脑发出的微弱活动 ， 这也是如今广为认知的脑电波（EEG） 。 脑电波的出现成为人类探索大脑活动的钥匙 。 不过直到20世纪六七十年代 ， BMI技术才开始进入实验室 。 最早的研究者致力于探索动物（白鼠、猕猴）的神经活动与肢体运动的关系 。 1969年 ， 一只猴子成了脑机接口的第一个实验对象 。 研究员将猴子大脑中的神经元与一个仪表盘相连 ， 当神经元被触发时 ， 仪表盘的指针便会转动 ， 猴子也会得到一颗香蕉丸子作为奖励 。 久而久之 ， 猴子为了吃到更多香蕉丸子 ， 学会了控制神经元的触发 。 一年后 ， 嗅觉灵敏的美国国防高级研究计划局（DARPA）随即组建团队研究脑机接口技术 。 DARPA由艾森豪威尔在1958年建立 ， 其首要任务是确保美国在突破性国防科技上的领先 。 先前 ， 美国互联网、计算机图形化界面的诞生都与它息息相关 。 不过这项理念实在是太超前了 ， 在当时无论是理念还是技术都难以获得进一步突破 。 2
沉寂了将近40年 ， BMI技术才在20世纪90年代末和21世纪初迎来第一轮的研究高潮 。 新兴科技公司成立 ， 科学家们的研究对象除了白鼠和猴子 ， 也出现了像比尔一样的患者 。 上世纪90年代 ， 美国的尼柯莱利斯教授训练大鼠用意念来喝水 。 大鼠是用前爪压动杠杆来喝水的 ， 尼柯莱利斯教授检测到和这一动作有关的脑内46个神经元 ， 并且通过电极把这46个神经元的兴奋连接到自动出水的机器上 。 只要这46个神经元兴奋 ， 机器就会工作 ， 水就会自动流出来 ， 大鼠只要“想一想”就有水喝 。 1998年 ， 一位名叫约翰尼·雷的中风病人接受了电极植入手术 。 手术前他不能动、不能说话 ， 连呼吸都要通过插管来维持 。 手术将阵列电极插入他控制左手的皮层运动区 ， 当他想象左手的运动时 ， 神经元的兴奋通过电极引导出来 ， 支配计算机屏幕上光标的运动 。 2005年 ， 美国有脑机接口公司获得FDA批准 ， 在9位病人身上进行了运动皮层的脑机接口临床实验 。 四肢瘫痪的Matt Nagle成为第一个用侵入式脑机接口来控制机械臂的病人 。 通过植入脑中的电极阵列 ， 他仅凭借运动意念就能完成机械臂和电脑光标的移动 。 这也是全球首个用侵入式脑机接口来恢复部分运动的成功案例 。 脑机接口成为瘫痪 ， 癫痫、失明、帕金森、阿兹海默等绝症病人的救命稻草 。 当癫痫病人发作时 ， 植入其脑中的装置将发送脉冲来抑制神经元的冲动 ， 缓解患者的痛楚 。而当盲人的脑中植入电极阵列时 ， 视网膜会收到刺激产生感觉 ， 能够在有限的视野内看到低分辨率的点阵图像 。 在2002年 ， 接受这项研究的患者甚至能够在研究中心附近驾车慢行 。 2014年的巴西世界杯开幕式上 ， 一名高位截瘫患者通过控制穿戴的机械外骨骼 ， 为世界杯开出第一球 。 此事在世界各地广为流传 ， 成为BMI研究的里程碑 。 早在8年前 ， 浙大团队通过在猴子脑中植入微电极阵列 ， 让猴子能通过“意念”控制机械手臂 。 两年后 ， 这个实验在志愿者身上也成功突破 。 2018年 ， 清华团队的脑机接口系统则让一个全身瘫痪、无法说话 ， 仅剩下眼周围能活动的渐冻患者登上了央视《挑战不可能》的舞台 ， 完成了“读诗”挑战 ， 并借助脑机接口打字系统 ， 用“意念”控制机器 ， 打出诗句“希望 ， 而且为之奋斗 ， 把这一切放在你的肩上” 。 这一幕给无数国人留下深刻印象 。今年1月 ， 浙大团队发布了一则视频 ， 一名高位截瘫的病人通过“意念”控制外部机械臂及机械手完成了握手、拿饮料、吃油条和打麻将等一系列复杂动作 。 值得一提的是 ， 这也是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成人体电极植入手术的案例 。 3
脑科学已成为无可争议的前沿科技阵地 ， 科学家们正争分夺秒地冲锋陷阵 。 不过 ， 热切关注脑机结合的人们短期内还得保持冷静 。 因为人脑的复杂超乎想象 。 大脑中有1000亿个神经元 ， 这相当于宇宙中星系的数量 。 每个神经元都有着跟洛杉矶一样的复杂程度 。 一根神经元还连接了一万根神经元 ， 这就形成了500万亿条链接 。 它们以人类无法理解的速度互相交流 ， 并发出电子信号 。 当我们双眼正在阅读文章时候 ， 屏幕散发的光子会进入视网膜 ， 刺激皮质枕叶中的神经元 ， 让这些文字形成的图像进入思维 。 紧接着这幅图像会刺激到另一部分神经元 ， 用以解读图像中包含的信息 。 像这样的输入与输出正是大脑神经元的工作 。 脑机接口要做的便是介入到这个过程中 。 但以目前的技术 ， 工程师们既难以精准捕捉到大脑输出的信号并准确解读出背后意图 ， 也难以将机器采集到的信息完美地输入到相应功能的神经元上 。 现有的非侵入式设备往往难以获得准确的脑部信号 ， 而捕捉信号能力较强的侵入式设备的安全性却难以验证 。 2014年 ， 美国67岁的神经外科医生Phil.Kennedy为了不让自己二十多年的研究功亏一篑 。 选择切开自己的头颅 ， 在大脑中植入电极 ， 从自己的大脑中收集数据 。 第一场手术醒来之后 ， Kennedy暂时失去了说话的能力 ， 历时12小时的手术导致他血压激增 ， 短期内瘫痪 。 仅仅过了半年 ， 他就不得不求助医生将植入的设备取出 。 也许在未来这些技术难题都能被一一克服 ， 人类可以实现脑波交流、思维共享等一系列科幻电影中的场景 ， 可随之而来的伦理问题难免成为隐患 。有人认为 ， 脑机接口技术让操纵思维成为可能 ， 进而操纵人的意识 。 2019年5月份 ， MIT发表了一篇文章 ， 引发整个神经科学界的恐慌 。 3位研究人员利用自己创建的人工神经系统成功控制了猴子神经系统的活动 。 无论人类有没有准备好 ， 在汉斯.伯格第一次记录下脑电波的那一刻 ， “盒子”就已经开启 。 不过 ， 正如火车和电力发明之初 ， 世人亦会恐慌和担忧一样 ， 技术的进步总是伴随争议 ， 可时间最后都会给出正确答案 。 毕竟 ， 人类的一切智慧是包含在这四个字里面的——“等待”和“希望” 。 互动送好礼
飞速发展的生命科学技术 ， 让人类不断发掘生命更多的可能性和延展性 。 如果 ， 未来“人机交互”成为现实 ， 你最希望能够实现什么用途？欢迎留言分享你的畅想 ， 我们将从留言中选出5位读者 ， 送出红杉定制T恤一件 。
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注：时间截至8月31日20:00 ， 获奖用户请于收到通知后24小时内回复邮寄信息 ， 未收到通知或未及时回复则视为“谢谢参与” 。
来源：《2020进度条过半 ， 马斯克心心念的“人体脑机接口实验”会成吗？》杭派工程师 《风很大的脑机接口是个啥？它能传输思维吗》环球《刚刚！马斯克震撼发布脑机接口 ， Neuralink无损植入猪脑 ， 下一步植入人脑》新智元 推荐阅读伍
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