不久前，電影《阿凡達(dá)》重新上映，人們得以重溫潘多拉星球的神奇：通過(guò)自帶的“萬(wàn)能接口”，納美人能用意念召喚坐騎和各個(gè)物種直接交流。而從電影初次上映至今的12年間，人類(lèi)的腦機(jī)接口研究也取得了重大突破。

“腦機(jī)接口技術(shù)可以拓寬人們和外界溝通的渠道，突破眼睛、鼻子、嘴或手的限制，實(shí)現(xiàn)意念感知，甚至通過(guò)重組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練出'超級(jí)大腦’。”近日，中科院深圳先進(jìn)院正高級(jí)工程師李驍健告訴記者。據(jù)悉，其團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先打通了腦機(jī)接口全技術(shù)鏈，目前已將柔性電極陣列接入獼猴腦內(nèi)。

李驍健

腦機(jī)接口并不神秘

走進(jìn)李驍健的實(shí)驗(yàn)室，各種零件、設(shè)備、工具滿滿當(dāng)當(dāng)。比起科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這里更像一個(gè)工程實(shí)驗(yàn)間。其中，頭頂接有一個(gè)小盒子外設(shè)的玩具猴引人注目。李驍健說(shuō)，這是團(tuán)隊(duì)對(duì)比真實(shí)實(shí)驗(yàn)猴制作的演示道具。

腦機(jī)接口，本質(zhì)上是在人或動(dòng)物的腦與外部設(shè)備間，創(chuàng)建用于信息交換的連接通路。根據(jù)采集信息方式的不同，分為植入式和非植入式兩種。其中，植入式即將傳感器植入腦內(nèi)，可獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，并利用電流讓計(jì)算機(jī)和腦細(xì)胞產(chǎn)生“互動(dòng)”，而非植入式只需戴上“腦電帽子”，通過(guò)無(wú)創(chuàng)的經(jīng)顱電刺激，來(lái)達(dá)到一定的信息傳遞效果。

李驍健團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于植入式腦機(jī)接口的研究。他向記者詳細(xì)展示了實(shí)驗(yàn)中涉及到的各個(gè)模塊，“腦機(jī)接口并不玄幻，只是技術(shù)鏈比較長(zhǎng)?！?/span>

首先，將傳感器植入對(duì)應(yīng)的腦區(qū)中，為使采集到的信息達(dá)到一定精度，傳感器數(shù)量可以達(dá)到成千上萬(wàn)個(gè)；在采集到神經(jīng)信號(hào)后，由連接著的芯片和電路進(jìn)行預(yù)處理，放大神經(jīng)電信號(hào)并處理掉干擾信息，轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)；接下來(lái)，分析采集到的信息，進(jìn)行解碼；然后通過(guò)再編碼，形成效應(yīng)器控制指令，比如控制機(jī)械臂給自己端一杯咖啡，或?qū)崿F(xiàn)意念打字；此時(shí)感知到的執(zhí)行信息再反饋給大腦，用來(lái)確定后續(xù)的任務(wù)。

“這其中涉及到從腦到機(jī)和從機(jī)到腦兩個(gè)過(guò)程，難點(diǎn)包括判斷哪個(gè)腦區(qū)負(fù)責(zé)哪些信息、如何讓成千上萬(wàn)個(gè)傳感器同時(shí)工作、如何讓植入對(duì)大腦的損傷盡可能小，反饋給大腦的信息如何盡量還原為真實(shí)感知等?！崩铗斀「嬖V記者。

“超級(jí)大腦”或許可行

事實(shí)上，最近的腦機(jī)接口界可謂十分熱鬧。

今年4月，馬斯克的Neuralink公司在猴腦中植入腦機(jī)接口，讓其意念玩電子游戲。5月，頂級(jí)期刊《科學(xué)》刊登了斯坦福大學(xué)的最新成果，大腦中植入了腦機(jī)接口的癱瘓患者，實(shí)現(xiàn)了意念寫(xiě)字。

“這兩項(xiàng)成果都是典型的應(yīng)用示范，”李驍健說(shuō)，“在相關(guān)技術(shù)達(dá)到一定積累的時(shí)候，科學(xué)家們開(kāi)始尋找具體的應(yīng)用，在這個(gè)過(guò)程中讓技術(shù)進(jìn)一步完善?！?/span>

比如在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，科研人員遇到一個(gè)難題：患者的手已經(jīng)癱瘓十多年，他的大腦還“記得”用筆寫(xiě)字這一神經(jīng)活動(dòng)嗎？最終，團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種被稱(chēng)為數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法，在神經(jīng)活動(dòng)模式中引入人為變化來(lái)拓展訓(xùn)練數(shù)據(jù)，最終模仿人類(lèi)大腦中產(chǎn)生的自然變化。

斯坦福團(tuán)隊(duì)的意念寫(xiě)字登上《Nature》封面

李驍健告訴記者，理論上，通過(guò)訓(xùn)練，可以重塑大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?！熬拖耱T自行車(chē)、游泳，都不是與生俱來(lái)的技能，卻可以通過(guò)后天訓(xùn)練，讓大腦中負(fù)責(zé)這些活動(dòng)的神經(jīng)元'排列組合’，形成新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?！彼e例道。

在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，患者脊髓中控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元壞死，科學(xué)家通過(guò)讀取寫(xiě)字這種運(yùn)動(dòng)在腦內(nèi)的神經(jīng)信息，重現(xiàn)了用手寫(xiě)字的活動(dòng)。類(lèi)似的，如果負(fù)責(zé)某些運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元壞死，也可以訓(xùn)練附近的神經(jīng)元來(lái)代替，而腦機(jī)接口是重要工具。

“如果'腦洞’再大一些，人們可以通過(guò)腦機(jī)接口，訓(xùn)練塑造出此前從未出現(xiàn)過(guò)的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可能形成'超級(jí)大腦’。這會(huì)是神經(jīng)工程的變革性技術(shù)。”李驍健說(shuō)。

值得一提的是，對(duì)于Neuralink公司提出的，腦機(jī)接口可實(shí)現(xiàn)記憶的下載和上傳，業(yè)界先驅(qū)米格爾·尼克萊斯利曾在騰訊WE大會(huì)上表示，“過(guò)于玄幻，'數(shù)字永生’也并不存在?！?/span>

英劇《黑鏡》中，人們可以上傳和保存自己的意念，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字永生”

深圳有技術(shù)優(yōu)勢(shì)

雙光子顯微鏡、神經(jīng)擬態(tài)的柔性電極陣列、光驅(qū)動(dòng)神經(jīng)遙控技術(shù)……李驍健主持和參與研發(fā)的新技術(shù)、新設(shè)備著實(shí)不少。他表示，這些都是為研究和發(fā)展腦機(jī)接口技術(shù)開(kāi)發(fā)的工具。

“腦機(jī)接口的產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，其中又涉及生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子工程等多門(mén)學(xué)科，有效的工具必不可少?！崩铗斀≌f(shuō)。他特別提到在深圳從事這一研究的優(yōu)勢(shì)：深港的腦科學(xué)領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)，而深圳的智能制造業(yè)發(fā)達(dá)。團(tuán)隊(duì)自己設(shè)計(jì)的零件和樣機(jī)，大都在深圳可以找到訂制廠家。上午送去樣圖，一兩天就能拿到實(shí)物，這在別的地方是做不到的。

盡管團(tuán)隊(duì)已打通全技術(shù)鏈，甚至做出了和Neuralink系統(tǒng)帶寬同級(jí)別的腦機(jī)接口裝置，但李驍健也承認(rèn)目前的一些關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際水平相比，還有一定差距。比如Neuralink的高密度傳感器只有頭發(fā)絲的1/4，定制的神經(jīng)芯片比人的指甲還小很多?！拔覀兡壳耙苍诔O(shè)備微型化的方向努力，只有設(shè)備越來(lái)越小，直至看不出來(lái)，腦機(jī)接口才有大規(guī)模應(yīng)用的可能?！崩铗斀≌f(shuō)。

談及具體落地應(yīng)用，他認(rèn)為有三個(gè)主要方向。第一是神經(jīng)疾病治療和神經(jīng)系統(tǒng)替代，比如癱瘓患者的“腦控假肢”，甚至脫離外掛機(jī)械，實(shí)現(xiàn)自主神經(jīng)修復(fù)。第二是神經(jīng)調(diào)控，用于干預(yù)某些精神類(lèi)疾病可能引發(fā)的危險(xiǎn)行為。事實(shí)上，人腦的決策往往比實(shí)際行動(dòng)要快幾秒鐘，而腦機(jī)接口可以在獲取神經(jīng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)決策后，在人付諸行動(dòng)前將其阻止，當(dāng)然其中涉及到倫理安全問(wèn)題。第三是跨越感官進(jìn)行交流，這是人類(lèi)較高層次的對(duì)信息的訴求。馬斯克在初建Neuralink時(shí)也提到，人類(lèi)需要突破主要依賴(lài)眼睛和嘴巴收發(fā)信息的瓶頸，以更高效的形式，生活在未來(lái)的信息世界中。

1924年，德國(guó)精神病學(xué)家伯格發(fā)現(xiàn)了腦電圖，人們看到了來(lái)自大腦的信號(hào)。

1969年，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院利用猴子進(jìn)行腦電生物反饋的研究。

1990年代，杜克大學(xué)的尼可萊里斯完成對(duì)老鼠運(yùn)動(dòng)腦電波的初步研究，實(shí)現(xiàn)了提取夜猴的皮層運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元信號(hào)，來(lái)控制機(jī)器人手臂。

1999年，哈佛大學(xué)的斯坦利試圖解碼貓的神經(jīng)元放電信息，來(lái)重建視覺(jué)圖像，從中能看到可辨認(rèn)的物體和場(chǎng)景。

2000年，Donoghue小組實(shí)現(xiàn)恒河猴對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制，來(lái)追蹤視覺(jué)目標(biāo)，其中猴子不需要運(yùn)動(dòng)肢體。

2008年，匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家宣稱(chēng)利用腦機(jī)接口，猴子能用操縱機(jī)械臂給自己喂食，標(biāo)志著相關(guān)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)動(dòng)物腦和外部設(shè)備直接相連。

2009年，美國(guó)南加州大學(xué)的伯格小組研制出能夠模擬海馬體功能的神經(jīng)芯片。該團(tuán)隊(duì)將這種芯片植入大鼠腦內(nèi)，使其成為高級(jí)腦功能假體。

2014年，巴西世界杯，身著機(jī)器戰(zhàn)甲的截肢患者，憑借腦機(jī)接口和機(jī)械外骨骼開(kāi)出了一球，背后技術(shù)由尼可萊里斯團(tuán)隊(duì)提供。

2016年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)取得重大突破，讓普通人在沒(méi)有植入大腦電極的情況下，只憑借“意念”，在復(fù)雜的三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)物體控制，包括操縱機(jī)器臂抓取、放置物體和控制飛行器飛行。

2017年，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，宣布他們成功讓三名受試癱瘓者通過(guò)簡(jiǎn)單的想象，精準(zhǔn)控制電腦屏幕的光標(biāo)，輸入了他們想說(shuō)的話，其中一名患者可以在1分鐘內(nèi)平均輸入39個(gè)字母。

2020年，埃隆·馬斯克旗下的Neuralink公司找來(lái)“三只小豬”，向全世界展示了采集到的大腦信號(hào)。