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  • 脑机接口人体实验首度成功,它用 50 年把科幻电影变为现实

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    • 时间:2016-11-17
    • 来源: 雷锋网
    • 编译:zy
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       不知道你有没有看过电影《潜水钟与蝴蝶》 ,这是根据真实故事改编而成的。影片主人公鲍比因为突如其来的中风造成全身肌肉瘫痪,无法动弹,眨动左眼是他唯一与外界交流的方式。身体不能动,但是他的大脑和思维却是完全正常的。鲍比最后靠眨眼睛“写”出了一本回忆录 。
     
      对于瘫痪病人来说,如何与外界交流的确是一件难事,也许未来脑机接口技术会帮助鲍比这样的病人,让他们不再生活在密闭的“潜水钟”里,通过脑电波或者神经活动与外界交流,让思想可以像“蝴蝶”一样自由飞翔。
     

     
      近日,国外媒体报道了全球首例成功的人类脑机接口实验。借着这个机会,大家可以和雷锋网一起看看这项神奇的技术是如何把科幻电影《阿凡达》中用意念操控物体变为现实的。
     
      脑机接口是什么
     
      人类在进行各项生理活动时都会向外发送电信号。如果用科学仪器测量大脑的电位活动,那么在荧幕上就会显示出波浪一样的图形,这就是“脑波”。
     
      脑波活动具有一定的规律性特征,和大脑的意识存在某种程度的对应关系。人在兴奋、紧张、昏迷等不同状态之下,脑电波的频率会有明显的不同,而正是因为脑波具有这种随着情绪波动而变化的特性,人类对于脑波的开发利用成为了可能。像电影《阿凡达》中所展现的利用意念操控阿凡达,实际上就是脑机接口技术(Brain-Computer Interface,简称 BCI),这是指在人脑与计算机等外部设备之间建立直接的连接通路。通过对于脑电信息的分析解读,将其进一步转化为相应的动作,这就是用“意念”操控物体的基本原理。
     
      推动临床研究的难点在哪
     
      你很难想象,科学家在 1963 年就已经开始尝试脑机接口研究了。当时,英国一家医院的医生 Grey Walter 为了确认癫痫病人的脑内病灶,在其贴近大脑皮层的地方放了电极,电极可以清晰地获取病人的神经活动。Walter 医生有一天突发奇想,在病人们观看风光幻灯片的时候,偷偷把脑电电极连接到了自己发明的“电位转换器”上,把病人大脑运动皮层的场电位信号,转换成了幻灯机换片的控制信号。于是奇迹发生了:病人每次打算更换幻灯片时,但还没有按动按钮,幻灯机似乎已经知道了他们的想法,自动切换了。这是脑机接口技术的第一次完整实现:采集大脑神经信号,翻译转换后控制外部设备。
     
      然而 50 多年过去了,为什么这样的技术还没有真正应用到临床上来呢?
     
      脑机接口需要多学科的高度协作。如何长期稳定地记录生活,芯片怎样安全植入并保持长期稳定记录,这些在神经外科,电生理、微电子等等领域的高度配合下才能达成。一方面要想获得高质量、稳定的脑电信号,就需要在电极和头皮之间注入导电胶,这种胶体适合于两小时内的短期使用,时间长了就会干结,其中的离子运动受阻,脑电信号质量会大幅度下降,直至脑机接口系统无法工作。另一方面环境中的电磁噪声、使用者体表的电生理信号,甚至使用者的心理状态也会破坏系统的稳定性,很多脑机接口的识别算法离开实验室就无法稳定工作了。
     
      除了技术上的难点,道德伦理问题或许也是脑机接口难以普及的一个原因。国外媒体 The Verge 曾在 the big future 栏目中,谈及了脑机接口的一个方向:在大脑中植入设备,避免人类在工作的时候开小差或者走神。这些应用已经远远超出医疗领域之外,也让人们越来越担忧脑机接口的未来——如果设备可以插入大脑中,读取大脑的信息,控制人的思维,那么他人看到我们大脑中的信息也不会是难事,电影《盗梦空间》里窃取他人思想的事情也许会在现实中上演。不仅如此,一旦技术被滥用,会不会有利用设备控制他人而进行的犯罪行为出现?更恐怖的是,未来,人会不会被机器所控制?
     

     
      加州大学伯克利分校电子工程与神经科学副教授 Jose Carmena 曾就人们的担忧表示“人脑是这些所有行为的控制方,脑机接口的主要目的是通过脑形成一个环路,整个环路中一直都是由大脑来对机器进行指挥,机器只是被动的接受体。”尽管如此,脑机接口涉及到的道德、伦理问题依旧让一些相关实验面临种种阻碍。
     
      应用及最新进展
     
      2014 年巴西世界杯期间,一名腰部以下瘫痪的少年通过由脑电波控制的机器外骨骼踢出了世界杯的第一脚球。这里利用的就是脑机接口技术。通过让用户依靠个人意念来进行交流以及控制设备,脑机接口对帮助 ALS 等病患治疗有巨大潜力。
     
      脑机接口人体实验首度成功,它用 50 年把科幻电影变为现实
     
      前不久,斯坦福大学开发的一项研究让猴子能够用意念敲出《莎士比亚》全集。猴子的大脑皮层中被植入了一种电极,通过训练,它们学会把屏幕上的光标移动到指定位置。从猴子的大脑中收集数据,并转化成电脑可以识别的命令。当猴子观看屏幕的时候,它的脑电波通过电脑控制光标到达指定位置,然后它们将单点编成绿色的序列,就能读出莎士比亚经典作品《哈姆雷特》里的字句——全程无需接触鼠标或键盘,用脑电波就能完成。对此,雷锋网进行过相关报道。
     
      脑机界面不仅被用于控制屏幕上的光标,研究人员还希望它能为假肢提供触觉,帮助残疾人与周围环境互动。
     
      上周,由 EPFL 领导的国际研究团队开发了一款神经假体界面,通过对大脑和脊柱的重新连接,使腿部瘫痪的猴子能够重新行走。这是人类首次通过神经科技恢复(非人类)灵长类的运动功能,相关论文在 Nature 发表。在脊髓受损的情况下,“神经义肢界面”(neuroprosthetics interface)承担了桥梁作用。该团队将其植入到猴子的大脑,该介面充当了大脑与脊椎之间的无线连接装置,能解码脑部运动皮层移动腿部的讯号,并将该脑波讯号及时无线传至腰椎区域,刺激它们的腿部肌肉行走。这项研究成果是人类向治疗瘫痪等疾病迈出的重要一步。
     
      最近,国外媒体报道了世界上首例成功的人类脑机接口实验,这意味着 BCI 技术在人类身上的运用得到了重大突破。
     
      BCI 帮助荷兰一位 ALS 女病人拼写词语和句子。而且更重要的是,这套接口几乎可以随时随地使用,让她即使在户外也能够与朋友进行交谈,而不需要医疗专家在一旁随时提供帮助。
     
      外科手术将一种设备植入病人的大脑,该设备带有两个安装在大脑皮层运动区的电极,用户可以通过它们控制运动。这些电极的位置是非常关键的——一个必须安装在大脑中负责右手运动的位置,另一个则会在你想要倒计数时开始工作。电极连接着安装在女病人胸部起搏器大小的发射器,发射器可以与她面前的计算机屏幕进行无线通信。当她注视屏幕时,就会看到虚拟键盘上有一个可移动的光标,当光标移动到她想选择的字母上时,她必须想象右手点击了那个字母。虽然病人无法使用右手,但她的大脑仍然可以发出运动的指令,而电极会收集这些信号,传递到发射器,然后传递到计算机和屏幕上。
     
      仅仅六个月的训练之后,该患者已经可以正常使用这套系统,打字正确率已到 95%。并且随着测试的推进,研究人员相信打字的准确率和速度都将大大提高。
     
      用意念进行交流或者运动,这听起来似乎只是科幻小说里才会发生的故事,而在脑机接口技术的帮助下,也许未来瘫痪病人真的能够重新与外界进行自由自在地交流,他们的思想将不再受到躯体的束缚。
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