讓失語(yǔ)者說(shuō)話，讓癱瘓者行走！腦機(jī)接口讓「賽博人類(lèi)」擁有超能力？
「讓人們看見(jiàn)以前看不到的東西，紅外線，紫外線，無(wú)線電……我認(rèn)為換一種說(shuō)法就是，我們想給人類(lèi)超能力?！?/span>
在7月10日的一場(chǎng)直播中，馬斯克表示腦機(jī)接口的最終目標(biāo)不僅是修復(fù)殘障人士喪失的頭腦功能，還要賦予人類(lèi)超能力。
2016年，Arbaugh頸部以下癱瘓。1月，他成為第一個(gè)通過(guò)手術(shù)植入馬斯克創(chuàng)立的Neuralink公司制造的芯片的人。
從那時(shí)起，阿博就開(kāi)始用意念操作手機(jī)和電腦，上網(wǎng)、玩文明（一款游戲）、下棋。
Neuralink并不是唯一一家利用腦機(jī)接口 (BCI) 將人類(lèi)思維與機(jī)器融合在一起的公司，通過(guò)一系列試驗(yàn)，越來(lái)越多因脊髓損傷、中風(fēng)或運(yùn)動(dòng)疾病而癱瘓的人正在恢復(fù)失去的能力。
加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的神經(jīng)外科醫(yī)生Jaimie Henderson表示，手術(shù)地成功讓許多研究人員都感到驚訝。「這是一段令人難以置信的新旅程?！?/span>
但新科技會(huì)將我們帶向何方還有待觀察。馬斯克最近考慮制造一種仿生植入物，讓人類(lèi)能夠與超級(jí)人工智能競(jìng)爭(zhēng)。
「未來(lái)，你可以操縱人類(lèi)的感知、記憶、行為和身份，」紐約哥倫比亞大學(xué)的Rafael Yuste說(shuō)。
人機(jī)融合的植入技術(shù)聽(tīng)起來(lái)固然強(qiáng)大而誘人，但也將面臨諸多挑戰(zhàn)。
腦機(jī)接口
腦機(jī)接口的工作原理是首先使用金屬盤(pán)、電線或電極檢測(cè)來(lái)自神經(jīng)元的電信號(hào)，這些設(shè)備要么插入大腦、顱骨下方，要么放置在頭皮上。
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然后，這些信息被發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并翻譯成命令。例如，讓人能夠輸入句子或控制機(jī)器人設(shè)備。
幾十年來(lái)，科學(xué)家一直以這種方式從大腦中獲取數(shù)據(jù)。1998年，研究人員將第一個(gè)由兩個(gè)電極組成的侵入式腦機(jī)接口植入到一位名叫Johnny Ray的建筑工人的大腦中，他在中風(fēng)后幾乎完全癱瘓。
Ray學(xué)會(huì)了如何通過(guò)想象用手移動(dòng)光標(biāo)、控制鍵盤(pán)上的字母，來(lái)調(diào)整發(fā)送給植入物的信號(hào)，從而能夠緩慢地拼寫(xiě)單詞。
但這種早期腦機(jī)接口的功能和可靠性都很差，通常這些設(shè)備需要經(jīng)過(guò)數(shù)周或數(shù)月的調(diào)試才能使用。
即便如此，這種設(shè)備也只允許人們每分鐘選擇幾個(gè)字符，并且很容易出錯(cuò)。
其中一個(gè)要解決的問(wèn)題就是，僅由幾個(gè)電極制成的設(shè)備，根本無(wú)法收集足夠的數(shù)據(jù)。
人腦中有數(shù)十億個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜連接的神經(jīng)元，研究已經(jīng)表明，是神經(jīng)元組（而不是單個(gè)細(xì)胞）的活動(dòng)模式?jīng)Q定了我們的思想、行動(dòng)和感知。
為了能夠解碼數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元模式，BCI 研究人員希望測(cè)試和部署能夠同時(shí)拾取許多神經(jīng)元信號(hào)的技術(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們開(kāi)始致力于采用由猶他大學(xué)Richard Normann發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)刺激大腦視覺(jué)皮層來(lái)恢復(fù)視力。
Normann的4毫米見(jiàn)方的芯片被稱(chēng)為「猶他陣列」（Utah array），上面布滿了大約100個(gè)可以穿透大腦外層的微電極。
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該陣列經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，可以跟蹤單個(gè)神經(jīng)元的放電，每個(gè)陣列可以同時(shí)記錄大約100個(gè)神經(jīng)元的數(shù)據(jù)。
羅德島州布朗大學(xué)的Carlos Vargas-Irwin說(shuō)，「這使我們能夠觀察神經(jīng)元群并看到真正豐富的信號(hào)。」
從2000年還是一名大學(xué)生時(shí)，他就開(kāi)始研究Utah Arrays。這些神經(jīng)元群的集體輸出代表大腦的語(yǔ)言，指導(dǎo)諸如伸手、書(shū)寫(xiě)、行走、說(shuō)話、微笑和思考等功能。
與癱瘓患者設(shè)備最相關(guān)的信號(hào)位于運(yùn)動(dòng)皮層，這是一條像頭帶一樣纏繞在大腦頂部的組織，負(fù)責(zé)計(jì)劃和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。
它大致的分布與身體部位組織對(duì)應(yīng)。比如，在它的面部區(qū)域，有控制面部肌肉的神經(jīng)元，在腿部區(qū)域，有操作腿部的神經(jīng)元，等等。
BCI 研究人員經(jīng)常將電極放置在手部區(qū)域，因?yàn)槿藗兺鶗?huì)發(fā)現(xiàn)很容易想象移動(dòng)雙手來(lái)做有用的事情，例如打字，或操作操縱桿、機(jī)械臂。
2004年，BCI 聯(lián)盟BrainGate的研究人員報(bào)告稱(chēng)，可以將Utah陣列植入癱瘓患者體內(nèi)。
人們紛紛自愿接受腦部手術(shù)，推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。
一名因刀傷而上下半身癱瘓的男子用意念引導(dǎo)光標(biāo)，打開(kāi)模擬電子郵件、操作電視，以及打開(kāi)和關(guān)閉假手。
兩個(gè)中風(fēng)后癱瘓的人通過(guò)「心靈感應(yīng)」操縱機(jī)械臂來(lái)夠到并抓取物體；其中一個(gè)人喝了一瓶咖啡。
一名因肌萎縮側(cè)索硬化癥（一種神經(jīng)退行性的癱瘓疾?。┒鴮?dǎo)致肌肉無(wú)力的女性將光標(biāo)指向屏幕上的最多八個(gè)目標(biāo)。
「每次我們進(jìn)行此類(lèi)手術(shù)并與參與者合作時(shí)，都會(huì)學(xué)到很多東西，」Henderson說(shuō)，他是BrainGate的成員，也是Neuralink的顧問(wèn)，擁有Neuralink的股權(quán)。
Yuste表示，在過(guò)去的幾年里，將大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)甚至語(yǔ)音的設(shè)備能力水平突飛猛進(jìn)。
借助越來(lái)越強(qiáng)大的算法，研究人員可以從神經(jīng)元組中破譯日益復(fù)雜的活動(dòng)模式的含義。
據(jù)報(bào)道，Dennis DeGray于2021年創(chuàng)下了用Utah Arrays實(shí)現(xiàn)的虛擬打字速度新紀(jì)錄——每分鐘90個(gè)字符。
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DeGray通過(guò)想象自己在便箋簿上書(shū)寫(xiě)來(lái)打字，他的大腦為此發(fā)出了所需的精細(xì)、多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。
然后，人工智能工具對(duì)這個(gè)想象的筆跡的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其映射到單個(gè)字母。
同樣，在未發(fā)表的工作中，Vargas-Irwin和他的同事表示，他們已經(jīng)找出了數(shù)十種手勢(shì)以及同時(shí)涉及雙手的單個(gè)手指運(yùn)動(dòng)的大腦「代碼」。
在Vargas-Irwin于2022年發(fā)表的研究中，一名頸部以下癱瘓的男子植入了兩個(gè)Utah Array，通過(guò)想象移動(dòng)任意一只手上的特定手指來(lái)彈奏一架有10個(gè)琴鍵的鋼琴。
Vargas-Irwin說(shuō)，雖然他目前還不能演奏較為復(fù)雜的曲譜，「但這已經(jīng)證明了他們可以獨(dú)立控制每個(gè)手指。」
最令人震驚的發(fā)展之一是腦機(jī)接口的出現(xiàn)，它可以使癱瘓的肢體重新行動(dòng)。
去年，洛桑瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Grégoire Courtine和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，他們發(fā)現(xiàn)了一種侵入性較小的「皮質(zhì)電圖描記」（ECOG）陣列。
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該陣列位于運(yùn)動(dòng)皮層腿部區(qū)域上方的頭骨下方，不穿透腦組織，并與人工智能一起進(jìn)行閱讀大腦中的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到脊髓中的刺激器。
這使得雙腿癱瘓的Gert-Jan Oskam能夠站立和行走，甚至可以走樓梯和不平坦的地形?！肝覀兘⒘艘蛔鶎⑾敕ㄞD(zhuǎn)化為行動(dòng)的數(shù)字橋梁，」Courtine說(shuō)。
此外，人工智能識(shí)別的活動(dòng)模式正在挑戰(zhàn)我們對(duì)大腦的理解。
在更基礎(chǔ)的層面上，腦機(jī)接口研究表明，運(yùn)動(dòng)皮層細(xì)胞群的管轄范圍超出了單個(gè)身體部位，擴(kuò)展到多個(gè)關(guān)節(jié)和多個(gè)身體部位。
研究發(fā)現(xiàn)，盡管DeGray的陣列被放置在運(yùn)動(dòng)皮層的「手部區(qū)域」，但它也可以拾取產(chǎn)生語(yǔ)音所需的運(yùn)動(dòng)模式。
Henderson說(shuō)，「我們讓他說(shuō)話，令我們大吃一驚的是，我們認(rèn)為大腦中一個(gè)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)手功能的區(qū)域出現(xiàn)了非常強(qiáng)烈的音節(jié)信號(hào)。」
這一發(fā)現(xiàn)和其他發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)行動(dòng)的大腦區(qū)域有了更細(xì)致的了解。運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元不像心臟病專(zhuān)家那樣專(zhuān)注于身體的某個(gè)部位，而似乎更像是具有亞專(zhuān)業(yè)的全科醫(yī)生。
「即使在一小塊運(yùn)動(dòng)皮層中，你也可以獲得一些有關(guān)整個(gè)身體正在做什么的信息——比如手臂、腿、臉、舌頭。所有這些信息都有回聲，」Vargas-Irwin說(shuō)。這表明運(yùn)動(dòng)皮層是根據(jù)復(fù)雜的概念（例如動(dòng)作）而不是身體部位來(lái)組織的。
解碼思想
據(jù)報(bào)道，去年，一位名叫Ann Johnson的婦女在中風(fēng)后喪失了說(shuō)話能力，她利用腦皮層成像庫(kù)列在Johnson附近的電腦上操作一個(gè)化身以每分鐘78個(gè)單詞的速度替她發(fā)生。
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該化身的人工智能聲音是根據(jù)Johnson中風(fēng)前的聲音錄音訓(xùn)練而成的，并能做出棚栩如生的嘴部動(dòng)作。
每當(dāng)Johnson嘗試做出與這些情緒相關(guān)的面部表情時(shí)，它還能根據(jù)陣列的讀數(shù)顯示出快樂(lè)、悲傷或驚訝等面部表情。加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)外科醫(yī)生Edward Chang領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。
Henderson的團(tuán)隊(duì)等人正試圖解碼將這種虛無(wú)縹緲的交流,以此了解思想是如何變成交流語(yǔ)言的。
Henderson說(shuō)，「我們可以開(kāi)始了解概念信息是如何在整個(gè)大腦中表現(xiàn)出來(lái)的。有朝一日，這種理解可能會(huì)帶來(lái)一些設(shè)備，讓中風(fēng)后有想法卻無(wú)法用語(yǔ)言表達(dá)的人恢復(fù)語(yǔ)言能力。這也更接近于真正讀懂一個(gè)人的思想?！?/span>
工程方面的挑戰(zhàn)仍然困擾著這一領(lǐng)域。像Utah和Neuralink陣列這樣的腦嵌入式設(shè)備可以更精確地捕捉大腦活動(dòng)，但隨著時(shí)間的推移，信號(hào)質(zhì)量可能會(huì)下降。
與此同時(shí)，一些BCI裝置涉及的電線從端口處伸出，存在持續(xù)感染的風(fēng)險(xiǎn)，而且大多數(shù)裝置最終都必須拆除或更換。
撒開(kāi)這些麻煩不談，要真正實(shí)現(xiàn)馬斯克設(shè)想的人腦與機(jī)器的融合，將需要一個(gè)雙向信息流，既能從「大腦的各個(gè)方面」讀取信息，也能向「大腦的各個(gè)方面」寫(xiě)入信息。
這方面已經(jīng)取得了逐步進(jìn)展。2021年，一項(xiàng)研究報(bào)告稱(chēng)，一名脊髓損傷的男子在電極刺激其大腦感覺(jué)區(qū)域的同時(shí)，用意念指揮機(jī)器人拾取物品并將其放置在平臺(tái)上。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Juan Alvaro Gallego說(shuō)，但這與植入記憶等技能的視覺(jué)效果還有很大距離?！赣涀⌒r(shí)候早餐吃的松餅的口感與感覺(jué)到有人在揉搓你的大拇指是不同的?！刮覀儾恢廊绾螌⒂洃浕蛑R(shí)寫(xiě)入大腦。
此外，實(shí)驗(yàn)性 BCI無(wú)法在不同的活動(dòng)之間快速切換，而這些活動(dòng)占據(jù)了大多數(shù)人的日常生活，例如一會(huì)兒打字，一會(huì)兒和朋友聊天，一會(huì)兒又去廚房吃零食。
Gallego表示，「我們無(wú)法建立一個(gè)模型，在日常生活的所有這些活動(dòng)中都能發(fā)揮作用。」
通用植入體
為了朝這個(gè)方向邁出第一步，他和他的同事們已經(jīng)找到了一種方法，可以讓單個(gè)任務(wù)的編程變得更容易。
目前，BCI是為每個(gè)參與者個(gè)性化設(shè)計(jì)的，但Gallego的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了一種通用解碼器，至少在猴子和小鼠的不同大腦中都能工作。
它是通過(guò)追蹤神經(jīng)元群中出現(xiàn)的跨物種共享模式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。例如，「你可以在動(dòng)物1中建立一個(gè)模型，預(yù)測(cè)動(dòng)物1是如何移動(dòng)它的手的，并將其用于動(dòng)物 2?！?/span>
如果這種算法也能在不同的人腦中發(fā)揮作用，那么它就能為更多功能的BCI鋪平道路。
諸如此類(lèi)的進(jìn)步不斷縮小我們的精神世界與產(chǎn)生這些世界的神經(jīng)活動(dòng)之間的鴻溝。
Neuralink與Synchron和Blackrock Neurotech(生產(chǎn)Utah Arrays)等類(lèi)似公司一樣，經(jīng)常被視為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的合作伙伴。
但是，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合的目標(biāo)仍道阻且長(zhǎng)，完全通用植入體也暫未出現(xiàn)清晰的實(shí)現(xiàn)方法。
