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脑机接口技术离“治疗”还有多远?

2020-08-30 11:20
动脉网
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“人机交互”、“FDA突破性设备认证”、“大脑里的Fitbit”、“获人体实验批准”、“人脑安装芯片”、“准确预测实验猪动作轨迹”……昨日,当马斯克公布了他的脑机科学公司Neuralink旗下脑机接口技术的最新进展后,这些词瞬间刷爆了朋友圈。

作为马斯克早期布局医疗领域的重要产品之一,他于2017年接手了致力于开发“神经织网”技术公司Neuralink。在那之后,虽然Neuralink几经人员流动,但每年都有新话题流出。从去年的“类缝纫机”机器人到今年的硬币大小的脑机芯片,马斯克每一次关于脑机接口的信息公布,都将引发狂欢。

在昨日发布会上,马斯克再度将BCI与精神疾病关系在一起。他在演讲中提到,很多人这辈子可能会在不同阶段遇到各类神经性的问题,比如失忆、失明、失聪、瘫痪、抑郁、失眠、上瘾、癫痫、中风、脑外伤等。“而Neuralink的价值就在于为这些令人困扰的问题提供一个负担得起且可靠的解决方案。通过植入电子设备到脑部来解决这些问题,已经被医学证明是可行的了。”

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不过,蓝图是美好的,但现实真如马斯克所想?

根据海外媒体报道,当年的马斯克开发脑机接口,是出于对人工智能的恐惧。他认为,按照目前AI的发展速度,用不了多久,人类就会被AI所统治,沦为傀儡。因此,他希望找到一种方法,让人类对抗AI。唯一的方法,就是让人类变得更强,于是他提出了一个比移民火星更“科幻”的想法——大脑强化。马斯克曾表示:“人类需要与机器相融合,成为‘半机械人’,才能避免在人工智能(AI)时代被淘汰。”

不过,实际的产品确乎是摆在了这里,那么BCI技术到底是赛博庞克爱好者的狂欢,还是神经患者的救世主?动脉网采访了多家企业、多位专家,将其观点整合于此,希望能从中立的角度描述BCI的发展未来。

算法难题:将BCI应用于实际的4个步骤

从马斯克的逻辑来看,理想中的脑机接口不仅可以帮助研究人员采集神经元信号,还能将特定的指令进行编码,通过脑机接口传达给其他部位,辅助大脑完成信号传出。

那么,要实现这一过程,至少需要完成4个过程:采集信号——信号解码——再编码——反馈。

这四个过程看似简单,实则难如登天,仅是第一个“采集信号”的过程,就卡死了大批想要从BCI中掘金的探索者。

神经学家常常用体育馆的类比来描述脑部信号的采集过程:在球场外,你可能会听到背景噪音,并从欢呼声中判断是否有球队进球了;当你坐在球场山顶位置,你能够知道哪个球队取得了这一分;但只有当你坐得足够近,且足够了解足球的合作逻辑,你才能知道,到底是怎样一套协同动作,帮助球队进了这个球。

这也是Neuralink的BCI由“缝纫机”发展成今天的“侵入式硬币”的重要原因之一——只有将电极网络靠神经元足够近,我们才可能获得足够高分辨率的信号。

从马斯克发布的小猪视频可以看出,它的植入电极确乎解决了这个问题,在演示之中,工作人员实时读取并在大屏幕上同步展示小猪B的脑电波。装在小猪A脑袋里的Neuralink正在读取与它鼻子相关的神经上的电流,每当它鼻子碰到什么,都会有一个脑电波的高峰。

在第二只跑步机上的小猪视频中,他演示了用脑电波进行运动轨迹的预测。图表显示,预测的运动轨迹和真实的运动轨迹基本吻合。

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Neuralink已经能够一定程度上预测小猪的动作姿态,这意味着其采集的信号一经达到相当高的精度

不过,尽管马斯克在信号采集方面获得了重大突破,但在BCI实现的第二个阶段——信号解码阶段,我们似乎没有看到太大的突破。

“这次发布会让人失望的是神经信号解码方面没有任何进步,只是简单演示了小猪四肢运动和脑内神经放电的关系,离植入脑机接口与手机通信还有很长的路要走。”清华大学脑机接口专家洪波教授对此表示:“目前,运动信息脑机接口解码的研究已经很成熟,美国布朗大学、斯坦福大学等在猴子和人的大脑上已经多次成功演示,不过,美国FDA过去批准Cyberkinetics和BlackRock等公司开展过小规模人体临床试验,但都没有取得预期效果。”

“同时,这类研究在国内也有进行,主要是浙江大学与清华大学在从事相关研究。浙江大学采用的是马斯克在演讲中提到的美国Utah电极阵列,已经在猴子和病人大脑皮层植入该电极阵列,成功实现了对机械手的脑机接口控制。清华大学则是和301医院、宣武医院合作在癫痫病人上开展的微创植入脑机接口研究采用不同的方案,记录电极埋在颅骨中,不穿透硬膜,因而不破坏神经细胞,可以长期稳定采集颅内脑电,已经实现了脑机接口打字等。

“需要说明的是,这两个研究组都还还在临床前试验阶段,没有获得医疗器械许可。主要技术瓶颈和Neuralink团队碰到的一样,神经信号的无线传输、对神经细胞创伤的控制、植入电极的长期安全有效性等。”洪波教授向动脉网解释道。

那么,如果马斯克能在接下来的工作中完成解码问题,那么步骤三中的编码过程可能没那么困难。不过,步骤四的反馈过程将必然是另一座难以逾越的大山。

反馈环节即利用BCI获得环境反馈信息后再作用于大脑。通常而言,我们依赖视觉、听觉、触觉、听觉获取环境信息,进而实时向大脑传递。不过,就算是当前大热且已广泛应用于生活的计算机视觉技术,也大都停留在二维影响的处理之中,三维影像数据量大、难以编码等问题,都成为反馈过程中的巨大障碍。

因此,从这次发布会中,我们确实该为马斯克成功的高分辨率神经元信号采集而狂欢,精确、高分辨率的信号能够极大推动解码工作的进展。但我们也需理性,BCI算法仅是问题之一,而信号采集只是算法问题中的问题中的一部分——马斯克离成熟的BCI还有很长的路要走。

材料难题:寻找能够留存于颅内环境的可植入物

与人体的其他环境不同,美国韦斯中心的克劳德克莱门特教授将大脑比拟于海边丛林:潮湿、炎热、多盐,“这绝不是个搞技术的好地方。”

与口腔、肠道、腹腔等环境不同,人类大脑的结构更为精妙,充满着神秘,甚至承载着“灵魂”。要在这个地方放置一个传感器可不容易,既需要考虑大脑环境的排异反应,还需要考虑植入物的耐用性,避免频繁的替换进而造成莫名的颅内损伤。植入物的芯片也同样需要高工艺,一方面,它需要满足对百万级神经元信息的采集处理;另一方面,它还需要足够小,避免压迫损伤颅内的其他组织。种种原因可见,植入体的设计同样需要企业深思熟虑。

经济学人的《植入体》一文曾描述了植入体设计的两个方向,第一是重新思考目前的小型导电电极技术,第二是朝着新的非电气方向前进。

哥伦比亚大学电气与生物医学工程系的Ken Shepard教授曾在CMOS(互补金属氧化物半导体)电子技术来实现这一点。他认为:任何插入式电极都可能造成细胞损伤,于是他试图研制出一个置于皮层顶部、包裹大脑的膜之下的集成设备。2018年时,他设计的第一代CMOS芯片原型仅1cm2,包含了65000个电极,而第二代的版本将包含100万个电极。值得注意的是,他并非把传感器堆叠在芯片上,而是加入了相同数量的放大器对信号进行转换,以及一个无线链路来向头皮上的中继器发送数据。

这个芯片在当时没有解决供电问题,毕竟将电池这样的包含诸多危险化学物质的设备置于脑部实在难以保证安全。但从发布会上看,马斯克则似乎在这一方面更进一步。不过,发布会上仅表示该设备拥有无线充电功能,却没有解释这一功能如何实现。在过去的演讲中,Neuralink曾表示其植入物的电池能够持续24小时,并能像手机一样无线充电。这一点,单从视频来看,我们无法验证。

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视频中仅展示了植入物的样式与大小

回到植入物的话题,从非电气方向出发,哈佛大学的洪国松博士尝试制造一种SU-8柔性聚合物制成的多孔网,上面镶嵌着传感器与导电金属。这一网状结构模仿了神经组织弹性而柔软的形态,并允许神经元和其他类型细胞在其中生长,这意味着它可以解决大脑对于异物的免疫反应。相比传统的方案,这种解决方案模糊了生物学与电子学的界限。

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