脑机接口已实现,大脑入侵成现实
时间: 2018-03-02 来源:今日科协
提要:大脑是人体中枢神经系统的最高级部分,也是脑的主要部分。成人的大脑内有140亿个神经细胞,它们通过复杂的生理结构交联在一起,控制着人类高级神经活动,包括人类的思考及身体各部位的运动。

脑机接口已实现,大脑入侵成现实

 

大脑是人体中枢神经系统的最高级部分,也是脑的主要部分。成人的大脑内有140亿个神经细胞,它们通过复杂的生理结构交联在一起,控制着人类高级神经活动,包括人类的思考及身体各部位的运动。

脑机接口,顾名思义,是由人类大脑和计算机等外围设备等连接而成的智能装置。在日本漫画家士郎正宗的作品《攻壳机动队》中,漫画女主草雉素子的脑后被植入可以与电脑连接的可插拔式接口即作者对于未来生活中脑机接口作用方式的一种设想。在漫画中,大脑与电脑连接并融合后将实现数据对接,并可直接控制电子设备,使人类拥有更多技能。但在现实中,实现人脑数据与电子数据的对接与相互转换,却远非如此简单。在21世纪的今天,脑机接口是一项融合了解剖学、脑科学、神经生物学、计算机科学、自动控制及心理学等的前沿交叉学科。

脑电波产生的原理

将大脑与电脑相连,其核心原理就是以外围电子设备识别大脑发出的命令,将其转化成电脑可处理的信号。在过去的几十年间,神经生物学家和脑科学家一直致力于破解大脑进行思考及肢体运动的工作原理。他们发现,大脑主要通过神经元间电位传导形成思维及对运动的指令。

何为电位传导?与生物体内大多数细胞一样,神经元周围Na+离子含量非常丰富,而细胞内部的Na+则相对较少,这样在细胞膜内外形成了一个“外高内低”的离子浓度差。在神经元细胞膜上存在大量Na+通道,当这些Na+通道开放时,在细胞膜上形成很多“孔洞”,使导致细胞外的Na+顺浓度梯度流向胞内。由于Na+带正电荷,因此Na+的流动就代表电子的流动。因此,这个生理学过程被称为生物电现象。而每一次Na+内流后导致的电子流动被称为动作电位。成熟的神经元有很多树叉般的分支,在任何一个部位发生的动作电位会迅速传递至整个细胞和相邻神经细胞,形成电脉冲。数个神经元的电脉冲信号相互传递、叠加后即可形成我们熟知的脑电波。

虽然神经元的激活和传递信号的方式是单一的,但不同的神经元间进行协调产生的大脑功能却是复杂的。在多数时间,大脑需要同时进行高级思考、控制运动、发生感觉等多项脑功能。在长期的演化中,人类的大脑进化出不同的脑区,每个脑区内神经元电位的改变代表相应的功能被激活。如位于额叶的高级心理机能区和人的情绪、情感与机能相关,切除前额叶的猴子无法形成自我意识。由于高级心理功能是一个较为抽象的能力,神经元之间是如何将信号转化成自我意识的具体机制还不得而知。但与此相对的,视觉、运动功能区等一些比较直观、简单的功能,已得到广泛而深入的研究。因此,在脑机接口的发展中,利用外围电子设备解码大脑的视觉、听觉及运动功能的研究也发展得更为迅速。

脑机接口技术的研究

事实上,“脑机接口”这一术语即是1973年由美国科学家维达尔在研究人视觉时提出的。他以大脑视觉区受到刺激后其神经元产生的诱发电位为控制信号,并通过计算机编程将电位信号转换成电脑屏幕上的光标位置,使操作者通过视觉控制光标成功穿越二维迷宫。这被认为是脑机接口的雏形。

1989年,美国费城MCP哈内曼大学的约翰K.切宾教授率领团队率先开展了关于用计算机解析运动功能区的研究。他们在大鼠的大脑内通过手术插入电极,同时检测46个神经元的电位变化。他们首先训练大鼠通过压动一个杠杆取到水喝,当大鼠可以熟练完成动作后杠杆被取走,大鼠必须在大脑中“想象”压动杠杆,激活相关脑区后将电信号传递给电脑,电脑会自动向笼中注水。这即是著名的大鼠压杆实验,标志着脑机接口研究体系的基本确立。

2008年,美国匹兹堡大学施瓦茨教授带领的团队已经可以成功记录并分析100个以上神经元的活动。当年的《自然》杂志报道了他们这一杰出的研究成果。他们以猴子为研究对象,首先训练猴子用操纵杆控制机械手为自己取食,并利用植入的电极记录下猴子脑内的神经元活动。随后将猴子的手绑起来,使猴子在脑内“想象”操作机械手并通过向电脑发射神经元信号控制机械手抓取食物。经过训练后,猴子甚至可以绕过障碍物控制机械手去取食,当实验室拖动食物时,猴子也能调整机械手去做相应运动。

脑机接口技术的应用

经过不断的发展,至今为止,脑机接口技术已进入临床应用阶段。根据脑电波检测的方式划分,脑机接口技术可以分为非植入式及植入式两大类。非侵入式通过在头部佩戴电极帽的方式对脑电波进行信号采集。在2016年12月央视播出的《挑战不可能》综艺节目中,浙江大学黄丽鹏研究生利用这种设备控制大鼠的运动方向,并先后穿越了障碍物、小桥、隧道及沙漠成功到达目的地并完成挑战。实验者在大鼠脑内事先安插了电极,与大鼠携带背包内的芯片相连。当实验者的大脑发出指令后,芯片内储存的算法可将脑电波解码,使电极产生刺激信号,从而控制大鼠的运动行为。

非侵入式脑机接口技术具有无损、方便携带、成本较低等优点。但由于电极帽与脑神经相隔甚远,电极帽采集的实为头皮脑电信号,具有信号采集缓慢、精细度不高、信噪比低、信息量少、噪声干扰等不可避免的缺点,限制了非植入式脑机接口在临床方面的应用。但其在游戏、虚拟现实等方向具有广阔的应用前景。如奥地利的格拉茨大学开发的一台基于非植入式脑机接口的魔兽世界游戏中,体验者可以通过想象左右手控制游戏人物左右转向,通过想象双腿运动控制游戏人物前进。

机器人会聪明到什么程度?

与此相对,侵入式脑机接口是一项基于在脑内通过开颅手术在大脑皮层中植入电极的脑机接口技术。与非侵入式脑机接口技术相比,具有采集的信号分辨率高、运动信息量大等显著优势。实验者利用侵入式脑机接口可实现更复杂、多维的自由运动。在2017年《柳叶刀》发表的一项相关治疗成果介绍了这种侵入式脑机接口技术的最新应用实例。瘫痪患者科奇瓦尔具有健康的大脑,但一场不幸的车祸使他失去了对四肢的控制能力。在治疗期间,美国俄亥俄州克里夫兰凯斯西储大学生物医学工程师博卢•阿吉博耶通过手术分别在科奇瓦尔的脑部运动皮层植入了电极传感器,并在手臂植入了36个肌肉刺激电极,包括帮助恢复手指、拇指、手肘和肩膀动作的4个电极。这些电极都与电脑相连。当科奇瓦尔观察屏幕中的假象手臂并“想象”进行运动时,他的大脑发出运动的脑电信号会被植入运动皮层的感应芯片捕捉到,并经传输线递呈至计算机。计算机内对电信号进行分析与转换,并向位于手臂的肌肉刺激电极发出电脑指令,指挥手臂做出相应运动。经过18周训练后,科奇瓦尔已经可以成功实现利用外围设备进行伸手和抓取,并完成饮食等较为复杂的行为。可以说,脑机接口技术为瘫痪人群回复日常活动的可能性带来了切实可行的替代方案。随着技术的进一步发展,相信这个技术将实现更精准的控制,帮助更多的瘫痪人群重获新生。

Serina


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