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| 本文作者： 劉琳 | 2020-01-17 17:17 |
2020 CES 大會(huì)上，初創(chuàng)公司 NextMind 的研究很有意思，他們聲稱(chēng)正在開(kāi)發(fā)一種實(shí)時(shí)的腦-機(jī)接口：可將大腦視覺(jué)皮層的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以讀取的數(shù)字指令，這樣一來(lái)，我們就可以通過(guò)大腦發(fā)出的視覺(jué)信號(hào)來(lái)控制計(jì)算機(jī)、AR/VR 眼鏡等設(shè)備，這就意味著思維代替雙手將變?yōu)榭赡堋?br/>
現(xiàn)在這一研究有了真實(shí)案例。
1 月16 日，浙江大學(xué)正式對(duì)外宣布了“雙腦計(jì)劃”的科研成果，植入電極的志愿者可以利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)證明了，高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜有效的運(yùn)動(dòng)控制是可行的。
【 圖片來(lái)源：浙江大學(xué) 所有者：浙江大學(xué) 】
所謂腦機(jī)接口就是在大腦和假肢等外部設(shè)備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實(shí)現(xiàn)在脊髓及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路損壞但大腦皮層功能尚健全的情況下，腦部的信號(hào)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)解讀，直接控制外部設(shè)備。
【 圖片來(lái)源：阿里云 所有者：圖蟲(chóng) 】
按照植入程度的不同，BCI 分為非植入式、半植入式和植入式。
非植入式（Non-invasive BCI），即在頭骨外檢測(cè)信號(hào)的設(shè)備；
半植入式（Partially invasive BCI），即安置在大腦皮層表面接收信號(hào)的設(shè)備；
植入式（invasive BCI），即通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)等方式，向腦組織內(nèi)植入傳感器以獲取信號(hào)的設(shè)備。
三者各有優(yōu)缺點(diǎn)，總體來(lái)看，BCI 設(shè)備對(duì)腦部植入的程度越高，風(fēng)險(xiǎn)越大。
接受此次腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究的志愿者張先生，是一位 72 歲高齡的退休教師。本應(yīng)在退休后安享晚年的他，卻在兩年前因一場(chǎng)意外車(chē)禍，導(dǎo)致頸髓重度損傷，成了一名高位截癱患者。
所幸車(chē)禍沒(méi)有損傷老人的大腦。8 月底，張先生在精準(zhǔn)定位下順利完成了國(guó)內(nèi)首例開(kāi)顱，進(jìn)行了將 Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)皮層的手術(shù)。
經(jīng)歷了4個(gè)月的訓(xùn)練，張先生實(shí)現(xiàn)了用意念控制機(jī)械臂完成握手，飲水，進(jìn)食等動(dòng)作。還能夠控制電腦鼠標(biāo)玩麻將游戲。
目前，在國(guó)際上已被報(bào)道的植入式腦機(jī)接口患者，均為中青年人。他們?cè)隗w力、注意力、情緒配合等方面，也相對(duì)更穩(wěn)健，而老年人則相對(duì)較弱。
張先生也因此成為目前全球范圍內(nèi)，成功利用植入式腦機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)功能重建的最高齡患者。
除了吃喝、社交、娛樂(lè)外，這項(xiàng)最新成果將幫助肢體癱瘓患者重建運(yùn)動(dòng)功能，從而提高生活質(zhì)量。
了解腦機(jī)接口的童鞋可能比較清楚，腦機(jī)接口在此前已經(jīng)有語(yǔ)音合成的成功實(shí)驗(yàn)，以腦機(jī)接口的方式，捕捉大腦電波，然后實(shí)現(xiàn)打字的目的，再進(jìn)行語(yǔ)音合成輸出，相比之下，意念控制取物簡(jiǎn)直是一項(xiàng)難于上青天的任務(wù)。
因此，浙大這一研究的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)直就是可以被載入史冊(cè)的，歷時(shí) 8 年，從動(dòng)物模擬到真正實(shí)現(xiàn)腦機(jī)互動(dòng)，他們付出的心血可想而知。
2006 年，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了電極植入大鼠腦部的 “動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)”。通過(guò)腦機(jī)交互，讓大白鼠按照“指令” 左轉(zhuǎn)右彎、爬樓梯、繞 “８” 字，甚至跳上 30 多厘米高的平臺(tái)。
2012 年，浙大團(tuán)隊(duì)在猴子腦中植入微電極陣列，運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)成功提取并解碼了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢(shì)的神經(jīng)信號(hào)，使猴子能通過(guò) “意念”直接控制外部機(jī)械手臂。
2014 年，浙大團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實(shí)現(xiàn) “意念” 控制機(jī)械手完成高難度的 “石頭、剪刀、布” 手指運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)第一。
不過(guò)，2014 年的臨床應(yīng)用是在患者大腦皮層表面 “蓋” 上一塊電極片（皮層腦電電極），電極本身并未插入大腦皮層內(nèi)部，屬于開(kāi)顱但不插入皮層的半植入式操作，不能檢測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電。
本次實(shí)驗(yàn)成功的張先生就是把微電極陣列直接插入大腦運(yùn)動(dòng)皮層里面，可以檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電情況，獲取的信號(hào)更直接、穩(wěn)定和豐富。
而要完成這一步，絕不簡(jiǎn)單。
因?yàn)榇竽X皮層神經(jīng)元共分為6層，電極要植入到第5層，這個(gè)難度系數(shù)根本不是我們這些吃瓜群眾的涉獵范圍。
為了減小誤差，浙大的研究團(tuán)隊(duì)利用步徑為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人，準(zhǔn)確地將2個(gè)電極送入既定位置，誤差控制在0.5毫米以?xún)?nèi)。
【 圖片來(lái)源：浙大二院 所有者：浙大二院 】
在4毫米×4毫米大小的微電極陣列上有100個(gè)電極針腳，每一個(gè)針腳都可能檢測(cè)到1個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)。
植入電極后，最難的一步就是如何實(shí)現(xiàn)“意念控制”。
人的大腦中上千億個(gè)神經(jīng)元通過(guò)發(fā)出微小的電脈沖相互交流，從而對(duì)人體的一舉一動(dòng)發(fā)號(hào)施令，要實(shí)現(xiàn)意念控制，就要對(duì)電極檢測(cè)范圍內(nèi)的人腦神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和解碼，將不同的電信號(hào)特征與機(jī)械手臂的動(dòng)作匹配對(duì)應(yīng)。
【 圖片來(lái)源：浙大二院 所有者：浙大二院】
由于腦機(jī)接口技術(shù)同時(shí)依賴(lài)患者腦電信號(hào)特征及機(jī)器算法設(shè)計(jì)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)采集、解碼等分析手段，也就是說(shuō)，不能直接搬用已有的分析手段。
于是，浙大的研究人員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，針對(duì)老張?zhí)岢隽艘惶揍槍?duì)性的解決方案。
采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓老張?jiān)陔娔X屏幕上操縱鼠標(biāo)，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等 9 個(gè)方向的動(dòng)作，最后模擬握手、飲水、進(jìn)食等動(dòng)作，這才讓我們看到了意念操縱機(jī)械的“神奇”變化。
新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)固然可喜，但由此帶來(lái)的擔(dān)憂(yōu)也會(huì)接踵而至。
前不久鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的賦思頭環(huán)，就因?yàn)樯婕啊北O(jiān)控學(xué)生“、“違背教育初衷”、“涉嫌收集學(xué)生隱私數(shù)據(jù)”等問(wèn)題受到廣泛質(zhì)疑。
所以，腦機(jī)接口技術(shù)大發(fā)展，即給一部分人帶來(lái)希望與期待，也讓一部分人惶恐擔(dān)憂(yōu)。美國(guó)曾經(jīng)對(duì)民眾做過(guò)一項(xiàng)調(diào)查，結(jié)果表示：腦機(jī)接口比基因編輯更令人擔(dān)心。
當(dāng)時(shí)《連線》雜志給出的理由是這樣的：
“既然腦機(jī)接口能夠?yàn)槭軅虬c瘓的士兵帶來(lái)恢復(fù)行走的可能性，能夠幫助癱瘓病人使用他們的意識(shí)來(lái)打字，或者能夠?yàn)榻刂幕颊哐b上仿生四肢來(lái)‘恢復(fù)’知覺(jué)，那么一旦大腦被‘入侵’上述提到的這些 BCI 功能依然有用武之地——操縱他人或者…謀殺。”
畢竟，我們對(duì)大腦的絕大部分一無(wú)所知。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
參考來(lái)源：
國(guó)內(nèi)首例！72 歲高位截癱患者用意念喝可樂(lè)、打麻將
2019 惹人爭(zhēng)議的黑科技：腦機(jī)接口、凍卵、基因嬰兒、人造肉
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