人工智能在脑神经科学的应用创新与热点——脑机接口

摘要

本文将主要介绍人工智能与脑神经科学的结合——脑机接口的应用创新领域以及脑机接口在意念打字方面的最新发展和自己的理解，最后就脑机接口未来可能带来的前言颠覆性科技创新应用命题的可能给出了自己的猜想与见解，并且分析了当脑机接口真正到来时可能会给人类带来的一些问题。

【关键词】

【关键词】：BCI，意念打字，脑电波，问题。

正文

不可否认，未来人与计算机的结合将更加紧密，将在外在和内在方面改变人类，影响人类。目前人机交互的前沿科技之一便是 脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）。脑机接口是在人或动物脑（或脑细胞培养物）与计算机等外部设备之间建立的不依赖于常规大脑信息传输通路（外周神经和肌肉组织）的一种直接通信和控制技术，有望成为下一代人机交互方式。根据脑机接口与大脑的连接方式，主要分为侵入式和非侵入式脑机接口。限于目前的科技材料伦理等原因，侵入式脑机接口发展没有非侵入式的火爆，但非侵入式脑机接口在许多方面的表现都无法满足人类的要求，因此，大多数研究者认为侵入式脑机接口才是BCI的未来。

一： 脑机接口应用领域及前景广阔。

1：多种应用领域

BCI最初在军事领域极受重视，但随着技术不断发展，这项技术在医疗和日常娱乐方面也有巨大潜力。军事方面，一些国家希望士兵能用意念控制武器或是穿戴可控性外部装置，以此减少伤亡并且提高士兵战斗能力。在医疗方面，脑机接口这种集中在在脑神经科学的技术，将给神经疾病和精神疾病的预防及治疗机制都带来巨大的改变。正如Neuralink公司的侵入式BCI研究，势必将给癫痫，帕金森等患者带来巨大的希望，他们将能够控制自己的肢体或是机械臂，或用意念操控计算机打字说话。世界上第一个用自己意念控制自己双手的瘫痪者——伊恩便是一个例子。除了物理身体上的操控，还有电信号类的产生与模拟或将脑电信号“打”入大脑，这将给失聪失明人士带来巨大福音，他们极有可能再次像正常人一样听、看、说。总之未来失明失聪，先天或后天残疾等都不是大问题，通过这些技术都可以得到改变。在教育娱乐领域，BCI在可以实现不同人之间肢体的操控，这给远程“手把手“教学带来了可能，同时也能与虚拟现实技术深度融合，给教育和娱乐领域带来颠覆性的改变。

2：意念打字

研究人员在研究意念打字常采集EEG进行分析，这其中大体有三类研究的常用脑电。第一种：稳态视觉诱发电位（Steady-State Visual Evoked Potentials SSVEP）, 研究表明，当受到一个固定频率的视觉刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关（刺激频率的基频或倍频处）的响应。这个响应是被称为稳态视觉诱发电位。受试者观测一张图像不同区域的图形的不同频率闪烁，同时研究者可以采集到大脑特定频率的脑电频率，进而知道受试者所关注的区域图形。第二种：事件相关诱发电位P300。P代表正波，300代表潜伏期300毫秒。当大脑关注目标信号时，脑中会产生相较而言较高的电位，电位通常在刺激出现后的300ms处，在使用平均去噪算法获得准确的刺激信号。 第三种：运动想象（Motor imagery MI）。人在想象自己肢体（或肌肉）运动但没有实际运动输出时，人的特定脑区仍会有激活。通过SVM（支持向量机），RNN（神经网络）等方法分析脑电信号，检测识别不同脑区的激活效果来判断受试者意图。
之前的研究中受试者利用指向和点击字母创造了BCI意念打字每分钟四十多个英文字符的记录。在今年5月一期nature封面则介绍了斯坦福大学霍华德休斯医学研究所（HHMI）的最新研究成果。研究员另辟蹊径，创新地利用受试者想像手写开展打字研究，并利用MI运动想象脑电在实验中创造了受试者每分钟打出90个字符的记录，并且通过相关算法的矫正实现了99%的准确率，这接近了同龄健全人每分钟115个字符的智能手机打字速度。实验中，一名几乎丧失颈部以下的活动能力，仅能做手部抽搐和微动的受试者通过想象他拿着钢笔在一张纸上尝试写句子，而研究者则利用机器学习算法和RNN递归神经网络进行受试者脑电的分析解码 ，获得了这个令人惊叹的实验结果。不过这个研究仍然存在很大的局限性，因为对很多语言中相似的字母难以分析尤其是中文这类以“形”为主的语言。虽然到目前为止，用于打字的BCI还无法与眼睛跟踪器等更简单的辅助技术相竞争。但这丝毫不能阻止相关研究的热情，因为这毕竟有太多应用的潜能。
其实意念打字只是脑机接口改变人类生活的一个典型代表，与意念打字相类似的还有太多太多，这些当然也不仅仅用于医疗领域，未来也会更多的应用到人们的生活领域，提高人们的生活幸福感以及工作效率，极大的改变这个世界。

二：脑机接口的畅想。

1：感官与身体增强

未来人类的多种感官功能和外部身体也会得到拓展与加强，对外界客观物体的感知更加随心自如，对身体部位及外加辅助部位的运用更加得心应手。让我们见识到从未见识到的“美景”，比如对视听能力的随意控制与增强，像一个开关一样对其进行控制。比如美国杜克大学的医学院神经生物学教授在2017年通过给小鼠植入红外线接收器，使小鼠能够看到红外线。未来在特定场景下，人们或许会有第三只特殊的眼，第三只超级灵活的手，这些最大的特点就是他们和人的身体部位一样，能够收人脑思想的自如控制。

2：记忆移植

当研究者们们成功实现记忆在小鼠等动物身上的移植与抹除后时，人类记忆移植的可能性被再次放大。通过植入大脑的芯片与大脑建立的联系，从而实现记忆的储存与删除，那么知识共享就真的不是天方夜谭了。虽然人类目前尚不清楚大脑编码技术，但随着科技的发展总会有像深度学习这种有点“玄学”的技术带来一定的突破。通过一点一点的理论和技术突破，总有一天，人们可以实现一定程度上的“记忆移植“。

3：思维解析

目前BCI方面的研究多通过深度学习，机器学习等AI算法分析EEG来进行，人们本身也不理解这底层的逻辑。可以想象，随着人们对人脑神经科学研究的不断深入以及基础科学的不断发展，让算法去理解人类更多的脑电信号是有可能的，那么通过对受试者进行全面的脑电信息分析处理就有可能知道受试者当前在思考什么，想做什么，而不仅仅是目前的意念操控和意念打字等。

4：梦境设计

人类的各种感觉都是大脑皮层发出的电信号刺激产生的，那么用电极刺激特定区域产生特定的电信号脉冲来模拟人类的感觉就是可能的，贝勒实验室就曾通过将相关脑电信号“打”入盲人受试者脑中，让受试者看到了字母。通过记忆移植让人类有特定的认知基础，通过思维解析让算法理解人类大脑特定刺激产生的特定结果，最终设计一系列特定的刺激组合使人类产生特定的梦境。上面这几个基础技术的组合将产生出无限种可能，比如利用记忆与梦境实现人类心理疾病的治愈，比如实现人类意识的上传与下载，实现人类在意识层面的永生，实现人类之间直接的思想交流。
也许未来人们真的会生活在一个虚拟与现实交织的真真假假的世界。这些也许过于科幻甚至玄幻，但加速回报定律告诉我们技术的发展是越来越快的，而让过去的人去看未来的技术总会让他们感觉不可思议甚至是天方夜谭，但又有谁能保证这些真的不会发生呢。

三：脑机接口可能带来的问题。

1：技术层面

人脑有一千亿左右的神经元，每时每刻会产生巨量的信息信号。就目前的脑机接口来说其信号识别精度较低同时抗干扰信号能力差信噪比低，在多指令任务中尤为明显。且信号处理和信息转换速度较慢，与人类速度相差较大。对于时空及任务变化的自适应较差。且相关设备体积较大，不易推广。对于侵入性脑机接口还要更多考虑大脑的免疫反应，且现在的植入电极仅为“千位”级别，对于大脑千亿级别的神经元来说级差还是太大了。

2：伦理层面

目前所涉及的伦理问题主要集中在侵入式BCI上，因此仍然没有相关的具体实验研究，仅有一些相关的临床医学应用。但对于意念操控来说，人的思维本事也不是完全清晰的，也有很多人有侵入性思维的现象。虽然这些侵入性思维的意识在大脑中不占主流，但这仍然会对电极接收信号产生影响。如若将时间尺度跳跃几百年考虑以后的技术带来的伦理问题，（脑机接口摩尔定律表，展现的是计算机记录大脑神经元数量的速度，以平均7.4年才能使可同时记录的神经元数量翻倍的速度计算，要达到同时记录100万个神经元需要等到2100年，而要记录人脑中所有的神经元，则要等到2225年）在计算存储以及计算机对大脑的信息理解得到新的基础性突破以后，相关的思维意识解析技术将把人的最后一块隐私所揭露，人类将真正的在数字世界“裸奔”。人的意识也可能被植入、操控，那一天又有多少人知道自己大脑的想法到底是自己真正的想法还是别人希望自己有的想法呢？除此之外，当知识可以被转移储存后，富人将有更多的可能性去提高自己和自己的后代，让这一阶层不经努力便能获得足够的知识，而穷人可能难以承担这种技术或是自己通过努力获得的东西在社会中的竞争力极大下降，导致自己更难以获得大的成功。这就会产生阶级之间的固化和难以流动，一定程度阻碍社会的发展。

结语

即使BCI会带来一些问题，但我们不能因噎废食，毕竟这背后有太多太多的潜能值得我们人类去不断发掘。相信在人工智能和脑机接口的相互促进下，两者会不断纵深发展。不论如何，人类的大脑都太过神奇了，一些重度脑积水达95%的人类却有正常人的能力，甚至智商超过正常人, John Lorder教授在《sicence》杂志上便针对此现象于1980年发表“Is your brain really necessary?“一文。自然总是过于神秘，有了时间的叠加又会产生更多的未知性和神秘色彩。站在现在我们所处时代的角度去思考未来的技术发展和应用以及某些可能的影响总是难以摆脱现有时代的整体观念和价值倾向。
3000年前的人类会惊叹1000年前的人类生活，而1000年前的人类会惊叹200年前的人类生活，而200年前的人类会惊叹 50年前的人类的生活，同样50年前的人类也一定会惊叹我们现在的生活，而现在的我们又会惊叹未来多少年后的人类生活呢？

【参考文献】：
【1】 Rajeswaran, P., Orsborn, A.L. Neural interface translates thoughts into type. Nature 2021
【2】 郭东.脑机接口:脑洞大开想象未来[J].中国工业和信息化,2020(12):18-23.
【3】 葛松,徐晶晶,赖舜男,杨娜娜,林衍旎,许胜勇.脑机接口：现状，问题与展望[J].生物化学与生物物理进展,2020,47(12):1227-1249.
【4】 R Lewin. Is your brain really necessary[J]. Science,1980,210(4475).
【5】 陈明立.脑机接口:开启“心灵感应”时代[J].发明与创新(综合科技),2010(12):21-22.

注

注：本文只是课程布置的读书报告作业，虽然参考了书籍和一些文献，但可能存在见解不对的地方，如有发现，欢迎指出。