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usdt手机钱包(www.caibao.it):插口人生:脑机时代已来?

admin1个月前252

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图片泉源@视觉中国

文丨刘文元

撰写此文的本意是希望人人能理性看待脑机接口手艺,不要无脑吹。

信赖人人对于科幻作品中设想的脑机接口的壮大功效并不生疏。在《攻壳机动队》和《阿丽塔:战斗天使》中,主角只有大脑保留完好,安装了外骨骼之后奇迹般地复生,在脑机接口手艺的加持下,还能举行猛烈 *** 的战斗;在《黑客帝国》中,人类通过脑后插管可以在虚拟天下中生涯,而且浑然不觉有任何异样;在威廉・吉布森的短篇小说《冬季市场》中,主角患有先天性残疾,只能依赖脑机接口控制外骨骼流动,为了脱节羸弱的肉体,她最终将意识转译成计算机程序,获得了永生……

2020年8月,埃隆・马斯克召开了一次发布会,展示了其投资的Neuralink公司最新的脑机接口装备。在演示中,这款装备可以纪录实验猪脑内的神经电信号、展望它的运动。同时,他还宣称脑机接口能够召唤汽车、打游戏,而且能治疗诸如失聪、失忆、中风等疾病,甚至连抑郁症、焦虑、失眠、成瘾都能治疗。此外,他还声称有望在5年内实现大脑间的直接交流,未来还能上传和下载影象,从而实现科幻中的“数字永生”。

看样子,科幻成为现实指日可待了。但实际上,他所演示和声称的功效,有些早已经实现,另有些仍然是天方夜谭。要搞清这个问题,首先应该知道科学家们研究的脑机接口是何物,以及它们事实醒目什么。

何谓脑机接口?

顾名思义,脑机接口(brain-computer interface,BCI)就是毗邻大脑与计算机之间的信息系统,可以让大脑直接和计算机相同。脑机接口的信息通报是双向的,既能从大脑通报信息到计算机,进而操控与之毗邻的外部装备,也能从计算机通报信息到大脑,用电信号 *** 脑神经。

脑机接口的基本组成

那么,脑机接口是若何运作的呢?神经科学研究发现,纵然神经系统和运动器官因损伤而损失作用,只要大脑功效保持正常,那么控制指令依然能够通过脑电信号从大脑中传输出来,只不外损伤的肢体不会随之流动而已。人们在举行某些头脑流动,或者在某些外部 *** 下,脑电信号会呈现出与 *** 相对应的规律性转变。因此,抽象虚拟的大脑流动,可以通过详细真实的脑电信号来表达,这种信号是大脑与外界相同的桥梁。脑机接口即是通过检测或影响这种脑电信号,来和神经元相同的。

此外,脑机接口的另一个原理是大脑的功效组成。我们知道,大脑的种种功效通常由一些详细位置(即脑区)来卖力,好比视觉依赖大脑枕部的区域来实现,若是该脑区受伤,就会让视觉能力受损,此即大脑功效的局部性。同时,每种功效也需要多个脑区的协同互助才气实现,任何一个涉及到相关信息加工的脑区发生故障,都市导致人体最终的行动(语言、脸色、动作等)泛起问题,此即大脑功效的漫衍性。这对于脑机接口采集信号或者电极植入位置的选择至关重要。

凭据人机毗邻的方式来划分,脑机接口一样平常分为无创型(非植入型)和植入型。

无创型脑机接口

常见的无创型BCI是基于脑电图(EEG)的脑机接口,这种纪录系统有几十到上百个圆盘形电极,每个电极的形状和巨细跟纽扣差不多。将这些电极粘贴在头皮上,即可纪录大脑中的电流转变。植入型脑机接口则需要通过在头颅植入电极来纪录神经元流动,电极既可以植入到颅骨与大脑之间,也可以植入到大脑皮层内部。这几种方式所网络的神经信号精度和强度有显著差别:从无创型到植入型(植入颅骨和大脑之间、植入到大脑皮层内部),网络到的信号依次精度提高、强度增强。

植入型脑机接口构想图

提取到神经信号后,还要举行解码。就像球赛观众里有两支队伍的支持者,一方支持者所支持的球队进攻时,他们会发出更多的欢呼,反之,他们就对照平静。但他们偶然也会由于其他事情欢呼。这就相当于差别的神经元有差别的偏心偏向。查明神经元的偏心偏向后,实时纪录它们的流动,就可以预测那小我私家的运动意图。该历程就叫解码。之后,控制系统需要凭据解码效果来控制假肢或光标,而且还能向大脑提供反馈信号,以便调治机械臂或光标等的操控。

脑机接口事实醒目什么?

脑机接口最主要的用途就是通过吸收使用者指令性的脑电信号,将其转化为输出,进而控制外部装备或周围的环境(好比开关灯、控制室温等)。

从已有的报道来看,前文提及马斯克展示和声称的部门功效实在早就实现了。好比无创型脑机接口,它可以探测到神经元同步流动频率的转变,通过剖析各频率的相对强度,把剖析效果反馈给使用者或实验者,也可凭据这些效果来控制目的。行使这一原理,可以有些很有趣的应用。

早在1985年,迈克尔・斯万维克和威廉・吉布森合著的小说《空战游戏》中就提到了通过粘贴在耳后的控制器,来操控战斗机举行空战竞赛。而在现实中,市面上也有响应的可穿着脑电波玩具了,例如让玩家用脑电波给玩具车加速来竞赛,或者戴上可以探测剖析脑电波的猫耳朵,即可凭据佩带者情绪的转变做出响应的指示动作。

脑电波猫耳朵

而且,这种脑机接口还能获取大脑对身体各部位运动的想象,例如是否在想象运动左手或右脚,在想象差别的运动时,会激活控制相关运动功效的脑区的神经元,它们四周的电极所纪录的频率就会有所转变。软件同时剖析多电极的信号,用算法来预测使用者的想象,从而实现让轮椅转弯或前行,以及控制外骨骼行走等等。除此之外,无创型脑机接口还可以让使用者选择屏幕上的图标,实现打字的功效,现在的频率已经到达一分钟输入上百个字母了。

2011年时,受试者就已经能够在植入型脑机接口的辅助下,让机械手给自己喂器械吃。

植入型脑机接口可以实现更为庞大的功效。2020年头,我国完成了首例植入型脑机接口的临床研究,病人举行4个月的康复训练之后,实现了用意念控制机械臂进食、喝水和一样平常娱乐等行为。

固然,除了能更好地控制假肢流动之外,植入型脑机接口还可以直接读取人想说的话。方式是用电极纪录大脑语言区的神经流动,同时让受试者阅读或默念一些句子,然后剖析获得脑电信号各频率的相对强度,再凭据这些频率找出脑流动对应的语言。领会到脑电频率和语言之间的关系后,就能把纪录到的信号转换成句子,即便不启齿,机械也能领会并表达使用者想说的话。

我国首例接受植入型脑机接口手术的患者

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近年来,脑机接口在医学康复领域的应用也逐步兴起。好比中风损坏的是大脑皮层的运动中枢,传统的物理训练康复只是流动胳膊和腿脚,效果并不很好。

现在,基于脑机接口开发了一种自动的训练方式,即让中风病人想象瘫痪肢体的运动,在想象时,脑电是有反映的,从而可以通过脑机接口系统丈量到这种脑电信号,一旦发现病人真的想动时,再去启动训练的机械人,这种训练方式异常有用。

2014年,天津大学神经工程团队研制了一套应用于全肢体中风康复的人工神经机械人系统“神工一号”,该系统融合了运动想象BCI和物理训练康复疗法,在中风患者体外仿生构筑了一条人工神经通路,通过模拟解码患者的运动康复意念信号,驱动神经肌肉电 *** 发生对应动作,在运动康复训练的同时,促进患者受损脑区功效恢复以及体内神经通路的可塑性修复和重修。

此外,脑机接口也能应用到康健人的训练当中,好比可以探测到优异射击选手执行任务时的脑状态,因此,把脑流动实时反馈给射击选手,让其领会自己距离优异水平另有多大差距,从而调整脑状态,尽快到达优异水平。

人工视网膜系统

以上先容的都是用脑机接口读取大脑信号,然后将解码的信息发送出去,以实现某种目的。除此之外,脑机接口也能向大脑通报信息, *** 电极周围的神经元,既能提供反馈(好比用机械臂抓握玻璃杯时,通过响应的反馈来调整抓握力度),也能发生人工触觉、人工视觉和人工听觉。

不外,脑内电 *** 还处在实验阶段,相比之下,神经接口电 *** (对大脑以外的神经举行电 *** 的手艺)生长较为成熟,一些行使该手艺的神经接口产物已经上市,好比人工耳蜗和人工视网膜,划分是用电 *** 来激活听觉神经和视网膜里的神经元,从而让患者重新获得听觉和视觉,条件是听觉神经和视网膜神经,以及相关的神经中枢都完好无损。

深部脑 ***

马斯克也提到脑机接口未来可以治疗抑郁症、失忆等大脑深部病变导致的神经精神疾病,行使的就是脑内电 *** 。事实上,对于这类疾病,已经有相对成熟的治疗手段了,这种手艺叫做“深部脑 *** ”,俗称脑起搏器。

脑起搏器治疗帕金森病示意图

脑起搏器最主要的应用是治疗帕金森病。迄今为止,全球已经有跨越10万名帕金森病和其他神经精神疾病患者因此受益。以治疗帕金森病为例,脑起搏器的电极植入丘脑底核区域,脉冲发生器植于胸前皮下,延伸导线则在皮下毗邻脉冲发生器和电极。手术完成后,脑起搏器会发出一定频率的电 *** 脉冲,通过电极触点作用于丘脑底核区域,调治大脑内异常的神经流动,从而到达改善症状的作用。

除了帕金森病之外,脑起搏器对于原发性震颤、肌张力障碍、慢性疼痛等疾病都有很好的效果,神经科学家也在积极探索将其用于癫痫、抑郁、强迫症、老年痴呆、成瘾等神经精神疾病的可能性。

一样平常来讲,脑机接口和脑起搏器的电极植入的脑区是纷歧样的。由于运动中枢、感受中枢、听觉中枢、语言中枢等均位于大脑皮层,以是植入型脑机接口的电极需要植入皮层,而脑起搏器的电极需要植入大脑深部,例如治疗帕金森和抑郁症的靶点划分位于丘脑和扣带回膝下部,植入皮层的脑机接口电极生怕“鞭长莫及”。对外宣传中谈及的脑机接口有望治疗种种神经精神疾病,往往指的是深部脑 *** 。固然,也可以将它看做另一种类型的脑机接口。

前路迢迢

有相关研究者设想,到2030年,无创型脑机接口手艺生长成熟,瘫患者可以直接用大脑控制轮椅,外骨骼系统也最先上市。2050年,植入型脑机接口风险大大降低,康健人也愿意使用,安装第五、第六肢体,士兵还能植入整合了近红外、声纳等手艺的“眼睛”。2070年,可用植入芯片来提高人的智能,大脑提取芯片里的知识,就像提取影象中从学校上课学到的知识一样利便……但这些设想实现的条件是:脑机接口的生长必须十分顺遂。

只管已经取得了诸多成就,但到现在为止,脑机接口基本上还处于实验室展示的水平,距离真正的商业化应用另有很长的路要走,它还面临着许多亟待解决的难题――

脑科学问题:脑部疾病的致病机制尚在研究当中,这些问题没有研究明了,脑机接口就不可能有成熟应用。

脑电信号采集的准确性:若是要实行准确监测,必须在脑内植入大量电极。然而,大脑皮层中有上百亿个神经元,一个电极纪录的是皮层千千万万的神经元电信号,不可避免地会受到其他信号的滋扰。想要实现真正的准确丈量,简直困难重重。哪怕未来到达几万个电极,对于天文数字的神经元来说,也只是九牛一毛。而且,这么多的电极若何植入到大脑里?若何处置海量的数据?一样平常的计算机很可能实现不了这种超算功效。

安全性和植入电极的事情寿命:将数目伟大的电极植入皮层中,需要打开颅骨,还要保证不引起出血等损伤,难度异常之高。而且我们身体的免疫组织会历久攻击植入电极,免疫细胞会将它们包围起来,形成疤痕组织,以是电极的纪录质量会逐步下降,长则几年,短则几个月,电极就完全监测不到神经元流动,若是需要再次使用,就得重新植入电极。这也增加了损伤大脑神经元和熏染的风险。

神经解码和编码:现在仍然是“黑箱”。脑机接口只是将庞大的神经元流动还原成简朴的脑电波数据,解码的准确度照样太低了。而且,解码对应的是“从脑到机”,是“预测”使用者的“运动意图”,与“解读意识”完全不是一个观点,而编码对应的是“从机到脑”,更是难上加难,基本还处于完全的未知状态,再加上科学家对于“意识”自己的机制还没研究清晰,以是意识上传、数字永生照样科幻构想,生怕我们有生之年都见不到那天的到来。

通讯速率慢:脑机接口最大信息转换速率只有每分钟100比特左右,这个效率远远达不到正常交流的水平,也无法控制外接装备做出庞大且流通的动作,更何谈像《空战游戏》中那样操控战机举行猛烈的竞赛?

此外,脑机接口是一门庞大的交叉学科,涉及到神经科学、认知科学、机械动力学、信息工程学、质料学等,任何一个学科有短板,都市严重制约脑机接口的生长。

脑-脑接口初露曙光

值得一提的是,在脑机接口生长的历程中,还泛起了一种叫做“脑-脑接口”的手艺。2009年上映的影戏《阿凡达》就对此有过展示:人类可以通过脑对脑的直接信息通报,远程控制潘多拉星球上经由革新的纳威人的身体。事实上,这绝非异想天开。有研究解释,从一只动物的大脑皮层提取神经电心理信息,将其解码之后,简直能 *** 另一只动物的大脑皮层。

2014年,上海交大的研究团队申请了一项脑-脑接口的发明专利,其事情步骤是:视频监控动物的运动信息,传输至脑机接口的实时控制界面,控制者(人)在控制界面看到动物的运动状态,然后表达其大脑控制的意图,脑电采集模块会采集控制者的脑电信号,发送至计算机端的处置模块,最后将解码后的信息发送给动物的神经电 *** 电极,进而控制动物的运动偏向。简朴地说,它实在包含了两套脑机接口系统,划分在受控动物和控制者两头。其目的是行使动物的专长,让它们在人类的控制下,取代人类完成我们不能和不敢的特殊任务,好比搜索、探险等。

2018年,美国华盛顿大学的研究团队首次乐成建立了多人脑-脑接口系统,乐成互助完成了俄罗斯方块游戏。他们将三名受试者分成两组,其中二人可以看到完整的游戏界面,并通过脑机接口发出是否旋转屏幕上最新泛起的图形角度的指令,第三小我私家吸收到指令来实行操作,平均准确率高达81.25%。该研究展示了行使毗邻大脑的“社交网络”协作解决问题的可能性。

不外,由于涉及到提取脑电信号、解码、将解码信息通报到准确的神经环路等高难度历程,此前的脑-脑接口信息通报速率只能到达每秒0.004~0.033比特,这是制约该手艺生长的主要瓶颈之一。

2020年头,北京脑科学与类脑研究中心的科研人员提出了一种新型的脑-脑接口,有望解决这一问题。他们先是用光纤纪录系统从“控制鼠”的大脑神经元中提取运动信息,然后将其解码,进而通过光遗传学[1] *** “阿凡达鼠”的特定神经元,其信息通报速率到达了每秒4.1比特,比之前的同类研究凌驾2~3个数目级,实现了两只动物的高度同步化运动,从原理上验证了跨个体准确控制动物运动的可能性。

基于光学纪录和 *** 的脑-脑接口实现了两只动物间的运动信息通报

从系统组成来看,脑-脑接口与脑机接口密不可分,脑机接口的瓶颈也是脑-脑接口需要战胜的,与此同时,脑-脑接口或许还存在专属于它的难题。虽然困难重重,科幻作品中设想的终极目的也纷歧定能酿成现实,但脑机接口和脑-脑接口有望实现生物智能与机械智能的融合,使大脑与大脑之间、大脑与计算机之间直接举行相同,远景可谓十分广漠。全天下的科学家正在起劲钻研,未来一旦取得重大突破,人类历史的历程甚至会因此而重塑都是有可能的。

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网友评论

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