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专访两位脑机接口领域“大牛”意念控制前景巨大 走进现实还有多远?

日期:2022年05月30日

       小编蓝素影想象, 不用任何语言, 只有思想才能控制外部事物, 只有与同行的眼神交流才能交流思想——在脑机接口(Brain Computer Interfaces)技术的想象中, 这些只存在于科幻小说中的场景将成为现实。 1970 年代, 加州大学洛杉矶分校的计算机科学家 Jacques Vidal 首次提出脑机接口的概念。此后, 脑机接口技术不断发展。从使用电极帽用思想驱动光标, 到首次将电极植入脑卒中患者的大脑, 再到成功让瘫痪者进行更复杂的动作, 科学家们跨越了障碍, 取得了重大进展。纵观全球, Meta(原Facebook)、谷歌、亚马逊、特斯拉创始人埃隆·马斯克旗下的Neuralink等商业巨头都在积极布局脑机接口领域。脑机接口现在发展到什么阶段了?如何检测和解释大脑信号? “意念控制”离普通人还有多远? 《每日经济新闻》(以下简称NBD)记者独家专访了脑机接口领域的两位“大佬”——国际电气与电子工程师学会院士、国际电机工程学会教授José Millán德克萨斯大学奥斯汀分校的电气和计算机工程专业。 ), 以及卡内基梅隆大学生物医学工程教授何斌。何斌领导了多项由美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会资助的培训项目。其实验室于 2013 年首次证明, 人类可以使用非侵入性脑机接口来操作无人机并控制机械臂。围绕脑控机器人的设计, 何塞·米兰在脑-机-机接口领域做出了多项开创性贡献, 并被任命为国际电气与电子工程师协会和国际医学科学院院士和生物工程。技术研究尚处于初期 NBD:能否向公众介绍脑机接口技术?机器如何检测和解释大脑发送的信号?目前这项技术的研究处于什么阶段?何斌:脑机接口是一种将大脑与计算机或外部设备相结合的神经技术。主要应用是对大脑信号进行解码, 并使用解码后的信号来控制设备。大脑的“意图”被编码在神经回路中,

这些神经回路产生小的电信号, 这些电信号穿过脑组织, 被植入大脑或记录下来的传感器记录下来。
       脑机接口研究仍处于发展初期, 但已显示出巨大的应用前景。 Jose Milan:脑机接口是一种可以检测大脑活动的技术, 分为侵入性(in large)和非侵入性(non-invasive)(不需要在大脑中。非侵入性脑机接口从大脑活动可以从外部检测, 要么使用心电图, 将电极简单地连接到人的头部, 要么使用 FMRI(功能技术。获得的大脑信号被传递到计算机, 通过信号处理进行转换。我们将应用机器学习和人工智能技术来构建大脑如何解码不同心理命令的模型, 对大脑信号进行解码, 以便将人类的思维传递给计算机, 计算机又将其发送到下一个级别, 例如轮椅, 以便它可以移动到任何地方。 NBD:非侵入式和侵入式脑机接口有什么区别?目前的研究重点是侵入性还是非侵入性?何斌:一种侵入式脑机接口, 通过在靠近神经回路的大脑中植入电极, 可以高保真、高信噪比地记录大脑信号。这导致了许多重要的神经科学发现,

但以侵入性为代价, 因此对大多数人的应用相当有限。非侵入式脑机接口可以很容易地应用于人类而不会引起伦理或安全问题, 但受到信号质量低和解码困难的限制。目前, 无论是侵入式还是非侵入式脑机接口研究都受到了广泛关注。 Jose Milan:两种脑机接口各有优劣。侵入式脑机接口可以非常接近大脑中的电活动源, 但需要通过手术植入电极, 最终只能获得大脑一小部分的高分辨率图像。通过非侵入性脑机接口, 可以获得对大脑活动的全局洞察。当我们计划和执行身体动作时, 大脑的许多区域需要协调才能执行这些动作。因此, 有可能重建大脑的活动, 尽管没有单个神经元活动的高分辨率视图。此外, 非侵入式脑机接口不需要手术, 成本更低, 更容易被普通人使用。在一定程度上, 侵入式脑机接口可以更准确地检测大脑信号, 但只能看到一小部分部分。如果需要更大的视野, 它就无法提供更多额外的信息来源。 NBD:在研究过程中, 如何评估脑机接口对人的健康风险?何斌:目前的侵入式脑机接口需要将电极植入大脑, 可能会对脑组织造成损伤。侵入性脑机接口的人体试验主要针对患有严重瘫痪或其他疾病的患者。目前没有关于使用侵入性脑机接口对人类健康风险的数据, 风险因素在很大程度上取决于外科手术。何塞米兰:据我从事侵入性脑机接口研究的同事说, 他们没有看到患者因此失去任何以前的能力。虽然可能会出现一些局部损坏, 但不足以造成额外的容量损失, 因此风险似乎非常有限。对于非侵入性脑机接口, 我们没有观察到任何风险。 NBD:科学家们已经多次尝试解码运动功能。未来是否有可能通过脑机接口解码情绪、疼痛和记忆等其他功能?何斌:脑机接口当然可以帮助解码运动功能以外的大脑状态和功能。例如, 我的实验室通过非侵入性脑电图解码人类受试者的疼痛水平, 但这些研究目前处于相对早期的阶段。在我看来, 最重要的挑战是如何在不受约束的条件下解码大脑功能和状态, 而不仅仅是运动功能。何塞·米兰:认知决策和记忆过程等高级功能编码在我们的大脑皮层(大脑的最中心部分, 但人类的大部分情绪是在大脑的皮层下区域进行的)编码, 由于位于皮层下方, BCI 很难进入该区域。因此, 解码情绪相对比较困难, 但可以通过大脑皮层的次级效应来判断。在患者中的广泛使用远非 NBD:您实验室目前的研究重点是什么?何斌:我的实验室研究系统神经工程, 开发新的传感、成像和刺激技术来研究中枢神经系统。目前, 我们专注于开发新型非侵入性神经技术, 可以对大脑功能和功能障碍进行成像, 调节大脑, 并将大脑与外部设备连接起来, 以实现“大脑控制的智能系统”。 Jose Milan:目前的研究主要集中在两点。我们已经研发出可靠的脑机接口技术, 如何让它服务于临床, 造福严重的神经系统疾病患者是当务之急之一。它不仅可以让瘫痪者驾驶自己的轮椅, 还可以帮助他们恢复功能。我们正在进行的临床试验表明, 患有严重手部残疾的患者可以恢复手部功能。第二点更为基础, BCI 允许人们学习以不同方式调节大脑活动以发送更好的指令, 我们正在加速 BCI 用户的学习过程。 NBD:脑机接口如何恢复患者的功能? Jose Milan:当大脑受损时, 它实际上具有改变的能力, 我们称之为“神经可塑性”。
       这种可塑性体现在您生活的每一天, 例如当您学习或记忆新知识时。我们正在使用脑机接口来重塑这些未知的塑料过程, 让失去编码功能的大脑区域恢复功能。 NBD:您在之前的采访中提到,

侵入式脑机接口有一个新的方向, 双向脑机接口。目前该领域的研究现状如何?还出现了哪些其他新兴研究方向?何斌:双向脑机接口还在研究中。此外, 一个重要的研究方向是将人工智能(AI)和机器学习引入脑机接口研究。人工智能革命可能会显着推动脑机接口的研究。我的实验室最近证明, 使用深度学习, 我们能够提高 62 名健康受试者的基于 EEG 的非侵入性脑机接口的性能。 NBD:目前, 国内外已有将脑机接口植入人体的成功案例。距离这项技术的普及还有多远?何斌:确实有成功的例子, 但是侵入式脑机接口的受试者还是很少。这是一项很有前途的技术, 但它远未在患者中广泛使用, 更不用说健康人群了。侵入性和非侵入性脑机接口仍然需要大量努力才能实现广泛的临床应用, 包括开发新颖可靠的硬件和解码方法以可靠准确地读取神经代码。
        Jose Milan:一方面, 脑机接口技术存在一些局限性。我们知道, 在记录大脑信号的时候存在很多不稳定性, 如何保证信号的稳定性还在研究中。对于患者来说, 高昂的费用是最大的限制。这也是所有研究工作的目标——证明脑机接口有足够的优势如果可能的话,

它可以被医疗保险覆盖。智能汽车领域大有可为 NBD:未来脑机接口技术将如何改变人们的日常生活?何斌:脑机接口可以帮助瘫痪患者恢复活动能力, 也可以帮助其他患有各种疾病的患者。它还可以帮助普通人群, 就像智能​​手机一样。正是出于这个原因, 我一直致力于非侵入式脑机接口, 只有非侵入式脑机接口技术才能惠及普通人群。 Jose Milan:脑机接口可以提高残疾人的基本能力, 也可以帮助有认知障碍(如记忆障碍, A.D.)的人提高认知能力。此外, 为健康人创造一个可用的大脑计算机。接口程序将是未来的一个大市场。显然, 健康人的诉求不是通过脑机接口去做已经可以做的事情, 而是希望它能帮助我们做我们不能做的事情或者预测我们将要做什么。不考虑主体的认知状态。
       如果我们能将主体的认知系统融入人工智能, 我们就可以通过脑机接口创造附加价值。在使用脑机接口的同时, 你的大脑也会经历不断学习的过程。 NBD:“脑机接口医疗”是我们现在普遍提到的一个应用方向。此外, 还有哪些可能的应用场景? Jose Milan:在智能汽车领域也大有可为。我们正在研究的方向之一是用脑机接口为智能汽车司机服务, 让智能汽车拥有传感器和“自主权”, 实现自动驾驶。.最大的挑战之一是如何让汽车以人性化的方式行驶并以人性化的方式行事。我们已经进行了 8 年的研究, 结果表明它有效。 NBD:放眼全球, Facebook、谷歌、亚马逊、Neuralink等商业巨头都在积极布局脑机接口领域。您如何看待脑机接口的商业化?何斌:大公司对未来的技术非常敏感, 脑机接口就是这样一种技术, 这并不奇怪。没有工业化, 就不可能从基础研究中受益。越来越多的商业公司对此感兴趣, 表明BCI研究的优势和巨大前景, 这将推动BCI研究, 进而推动普通人群。 Jose Milano:我很高兴大公司对这个研究领域感兴趣, 这证实了这些研究对帮助人类的价值。但我们需要注意的是, 不能盲目地期望过高。想象一下人工智能已经存在了多少年? 70 年, 但直到最近几年, 我们才看到了它的巨大成功。对于公司来说, 这是一个商机, 但当他们有一天停止投资这项研究时,

资助机构和公众会如何看待它?是因为脑机接口不再有价值吗?我不这么认为。所以我认为我们应该对此保持谨慎。

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