用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?

埃隆·马斯克(Elon Musk)又制造新闻了。

不过已经不奇怪了。事涉这哥们儿,没有新闻才是新闻。

展望了火星,发射了火箭,马斯克将目光从宇宙中收了回来,看向了人类的大脑。

现代神经生物学的祖师爷圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)曾经说过:“只要我们的大脑还是未解之谜,那么,反映着大脑结构的宇宙,也就依然是迷。”不知道马斯克的这个项目,是不是受了俺们祖师爷这句话的影响。

总之,美国太平洋时间2019年7月16日晚8时,他的脑机接口公司Neuralink召开了新闻发布会,表明实现重大突破,在不久的未来,人们可能用iPhone就能控制大脑里电极的活动与信号。

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第1张图片
图片来源:Neuralink发布会

01 脑机能接口,新瓶装旧酒

马斯克说的植入式脑机接口看似新鲜,但就像Neralink的总裁Max Hodak在发布会上所说的那样,这个技术本身早已存在了许多年,有着丰富的研究。从概念的实现本身来讲,并不是什么从未达到过的丰碑。

早在2002年,美国布朗大学的一个实验室成功地在猴子中实现了植入式脑机接口,让猴子学会了通过“意念”来控制电脑光标。

2013年,美国杜克大学的著名科学家Miguel A. L. Nicolelis甚至带领团队实现了“脑-脑接口”:把一只老鼠大脑里的信号通过互联网传递到另一只老鼠的脑子里,让身处美国与巴西两地的两只老鼠做到了真正的“感同身受”。

至于植入式脑机接口涉及到的手术技术,比如在头盖骨上钻个孔插个电极啥的,在用实验动物进行的行为学实验里,早就是常规操作了。

那么,Neuralink的脑机接口技术就没有创新吗?不,还是有的。只是,他们的创新不是概念性的突破,而是技术上的迭代——这种迭代,让脑机接口的安全性和实用性提高了一点点。

02 想和机器“心灵相通”的人类

其实,在人类身上弄植入式脑机接口这事儿,早就有人干过了。

2002年,一位名叫William H. Dobelle的医生在一位名叫Jens Naumann的失明者的大脑中植入了68个电极。通过与电极相连的电脑和摄像机,Jens得以恢复了视觉。CNN采访了Jens,而他当着镜头的面倒车入库,一时轰动。

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第2张图片
图片来源:Jens Naumann写的书《Search for Paradise》

但是,恢复光明是有代价的——芯片植入扰乱了大脑的正常功能,使Jens患上了癫痫。最后,他不得不取出芯片,重又回到了他一度摆脱的黑暗之中。

无独有偶。2014年,一位名叫Phil Kennedy的神经学家给自己大脑中植入了电极,想要通过这种方式来理解人类说话时产生的神经信号。手术挺顺利,但结果却不尽人意——Phil也患上了癫痫,语言表达也出现了问题。

从某种意义上说,Phil算是成功了——他记录到了自己65个神经细胞的活动,并发现它们在自己说话时会出现某种特定的组合。但这实验没能延续太久,因为他头骨上的伤口一直无法完全愈合。在植入电极88天后,他不得不再次进行手术,将植入物取出。

目前,依然有一些实验室在不懈地尝试在人类中能应用的植入电极式脑机接口,通常的对象是运动能力受损(比如残疾、瘫痪)的人,让他们可以通过机械手臂等装置来实现一部分运动能力。不过,这些多半还是研究性质的工作,离普遍化的应用还比较远。

当然,还有一些半植入式及无创性的非植入式脑机接口技术,安全性要好很多,在人身上的应用也更多,如今已有的一些商用脑机接口装置基本都是非植入式的。但这类脑机接口控制的精确度通常不如植入性的设备。

而Neuralink公司的突破,则为植入式脑机接口的安全应用提供了更多的可能。

03 Neuralink到底突破了啥?

要做植入式脑机接口,最重要的东西有三样:电极、手术,以及用来处理神经信号的装置和算法。而Neuralink的突破,也正是在这三个方面做出的。

1. 电极:就问你弯不弯

传统的电极是细金属丝,就和一根根很细的针差不多,一针下去,不知道要死多少脑细胞。还有硅板电极,也是直的,在损伤细胞的问题上和传统金属电极不相上下。

没办法,有时候,直的就是比较麻烦。

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第3张图片

Neuralink的突破,就在于使用了能被“掰弯”超细柔性电极。这种柔性电极能够随着大脑的活动而弯曲,这样就能极大地避免对脑组织的损伤安全性+1

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第4张图片
图片来源:Neuralink发布会

2. 手术机器人:请叫我“缝纫机”

不是我在开玩笑,Neuralink新推出的手术机器人真的就叫“缝纫机(Sewing Machine)”。

毕竟,柔性电极虽然好,但还是太柔软,很难在手术中精确地插到大脑的某个位置上,更别提要将很多根这样的电极一根根插进大脑里了。为了解决这个问题,加州大学旧金山分校的教授Philip N Sabes开发出了这种手术机器人。

这种机器人可不是浪得虚名——它拉着柔软的电极“丝线”,一根根精准平稳地植入到大脑中,这样子确实像极了缝纫机。

具体就是下面这个样子:

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第5张图片

……

不好意思放错图了,是下面这张:

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第6张图片
图片来源:Neuralink发布会

“缝纫机”干活不仅快速平稳,还能避开血管,以保证记录信号的效果及手术安全安全性再+1

3. 信号处理:我小但我牛

手术机器人和细软的柔性电极从硬件上保证了神经信号的收集,以及给大脑发送电刺激的可能,接下来要解决的大工程就是如何处理这些信号。

这也不是啥新问题,科研中早就有很成熟的仪器。但问题是:太大。

一个仪器,有台式电脑主机那么大。总不能让大家每天脑袋上拖着台电脑大小的东西走来走去吧?

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第7张图片
动物实验中用来处理神经信号的装置差不多长这样(图片来源于网络)

而且,通常在实验中,科研人员要花大量的时间来人工处理信号,以保证滤去干扰性的噪音,得到准确的神经信号。这个过程之繁琐,让我等实验室搬砖狗想起来,都是满满的泪。

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第8张图片

因此,Neuralink发布的信号处理装置,就让我非常羡慕嫉妒恨了。这玩意是由DJ Seo开发的N1传感器。小小的一枚,还不如指尖大,却能自动化完成许多实验室里需要花费很久来进行的信号处理(除了嫉妒,我还能说啥……)。

用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?_第9张图片
图片来源:Neuralink发布会

在Neuralink的畅想里,只用在N1传感器固定在颅骨上,配上Philip N Sabes开发的算法,就能精确地实现对神经信号及电刺激信号的处理和控制。那真的是“一卡在头,信号我有!”实用性,+1

04 这玩意能干嘛?

脑机接口目前的主要应用,还是在病人身上。比如,前面提到过的,让运动或感觉能力受损的患者能够通过电子及机械装置,获得一部分运动或感觉能力。再比如,通过对大脑内特定区域发送电刺激,来治疗一些神经性的疾病。像脑部深层刺激术(deep brain stimulation)早已被证实对帕金森病有效,在抑郁症的治疗上也有较多的研究。未来说不定还会有其它的电刺激疗法,来治疗更多的神经性疾病,也未可知。

Neuralink的首席神经外科医生Matthew McDougall在发布会上明确表示,目前Neuralink的这个系统只针对有严重疾病的患者。尽管发布会上提到了许多可能的方向,比如提升运动和感觉能力、辅助视觉、改善语言能力、处理疼痛等等,但具体到底要做什么,Neuralink并没有给出一个特别明确的说法。

尽管Neuralink在脑机接口的技术上确实作出了巨大的创新,但想要在人体中真正应用,确实还有不少有待解决的问题

比如,他们的信号传输目前还是通过有线来进行的,用type-C接口连接。而这种穿透头皮的线路可能会带来感染的风险。

再比如,传输信号是会导致发热的。传输功率越大,发热越多。如何保证发热的程度不对大脑造成损害?这也是一个需要考虑的问题。

还有,如果要通过电刺激来治疗神经性疾病,那么,具体将电极植入到哪个大脑区域,需要怎样的电刺激,都是有讲究的。而Neuralink的技术是否能很好地实现这些,这又是一个需要通过研究与实验来回答的问题。

根据发布会上公布的内容,Neuralink目前只进行了19例动物实验,以大鼠居多,也有猴子。说实话,对于他们想要做的事情来讲,不算很多。而且87%的成功率,对于2020年进行临床试验的目标来说,还有不少路要走

这次,马斯克能成功吗?从技术角度来讲,他给自己定了一个并不容易的目标。不过,考虑到他“变不可能为可能”的光辉历史,我们也很难否认他成功的可能性。

也许,让我们激动不已的,不只是新技术,更是这种征服不可能的雄心。正是这种雄心,让我们从茹毛饮血到征服自然,从安居一隅到远征宇宙,从一无所知到改变这个星球。

未来,这种雄心会将我们带向何方?我拭目以待。


参考资料:

1. Serruya, M. D., et al. (2002). Instant neural control of a movement signal. Nature. 416(6877): 141-142.

2. Pais-Vieira, M., et al. (2013). A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Scientific Reports. 3: 1319.

3. http://www.jensnaumann.green-first.com/

4. https://www.wired.com/2016/01/phil-kennedy-mind-control-computer/

5. Nicolas-Alonso, L. F., and Gomez-Gil, J. (2012). Brain computer interfaces, a review. Sensors (Basel, Switzerland).12(2): 1211–1279. doi:10.3390/s120201211

6. Nuyujukian, P., et al. (2018). Cortical control of a tablet computer by people with paralysis. PLoS One. 13(11): e0204566.

7. Carvalho, R., Dias, N., Cerqueira, J. J. (2019). Brain‐machine interface of upper limb recovery in stroke patients rehabilitation: A systematic review. Physiother Res Int. 24: e1764. https://doi.org/10.1002/pri.1764

8. https://www.neuralink.com/

9. Chung, J. E., et al. (2019). High-Density, Long-Lasting, and Multi-region Electrophysiological Recordings Using Polymer Electrode Arrays. Neuron. 101(1): 21-31.e25.

10. Hanson, T. L., Diaz-Botia, C. A., Kharazia, V., Maharbiz, M. M., Sabes, P. N. (2019). The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. BioRxiv: 578542.

11. Deuschl, G., et al. (2006). A randomized trial of deep-brain stimulation for Parkinson's disease. N Engl J Med. 355(9): 896-908.

12. Perlmutter, J. S. and J. W. Mink (2006). Deep Brain Stimulaiton. Annu Rev Neurosci. 29(1): 229-257.

13. Delaloye, S., & Holtzheimer, P. E. (2014). Deep brain stimulation in the treatment of depression. Dialogues in clinical neuroscience. 16(1), 83–91



本文首发于公众号“科普不烧脑”,转载请联系作者。非授权转载或抄袭将依法追究。

你可能感兴趣的:(用iPhone控制大脑,离我们究竟有多远?)