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日期: 2024-01-06 | 來源: 地球知識局 | 有0人參與評論 | 字體: 小 中 大
每壹年，世界都在飛速地變化。壹大批新的科技已箭在弦上，比如我們耳熟能詳的ChatGPT、文心壹言、Midjourney，更新迭代的速度都遠比我們人類要快得多，讓打工人有種前有狼後有虎的感覺。
但還有壹些速度更快的，就等著某壹天突然出現超級產品震撼我們的叁觀，比如——腦機接口。
去年5月26日，埃隆·馬斯克創立的腦機接口公司Neuralink宣布：旗下的PRIME項目——精確機器人植入腦機接口，已獲得美國食品藥物管理局（FDA）批准，將開始進行人體臨床研究。
▲圖注：去年9月，Neuralink開始招募大腦植入試驗的人員
Neuralink成立於2016年，用馬斯克的原話說：“其目標是建立人與計算機之間快速的交流通道，尤其在人類輸出信息方面，大大超越目前緩慢的鼠標鍵盤技術。”
此前，Neuralink已經完成了許多動物實驗，例如通過植入大腦的芯片、讓猴子可以用意念控制屏幕上的光標。
▲圖注：9歲的獼猴Pager
通過植入大腦的Neuralink芯片玩視頻游戲
(從下面的鐵管可以喝到獎勵的香蕉奶昔）
（圖：Neuralink）
通過壹系列安全性的技術審核後，PRIME獲得的人類實驗許可，標志著這壹研究向實際應用又邁出了重要的壹步。
腦機接口是什麼？
腦機接口（Brain-Machine Interface, BMI）是開發機器與神經系統進行直接信息交互的技術。這種直接信息交流，繞開了任何肌肉運動和感覺器官，而且是相互的。
壹方面，機器可以通過讀取神經活動產生的電磁信號獲取大腦的意圖。例如：人們可以只憑腦中的意圖，就控制手機和電腦、操縱機械臂、用揚聲器說話，甚至建立人與計算機之間直接的思維連接……
▲圖注：科幻迷：這題我熟
另壹方面，機器也可以通過對特定神經元集群的電刺激，向大腦輸入信息。這就是將圖像、聲音等轉化為神經信號，直接輸入大腦的相關皮層，就可以繞開眼睛、耳朵，帶來視覺和聽覺的主觀體驗。
這樣的前景至少對各類殘疾人士是莫大的福音，目前大部分腦機接口的研究，也都被限制在幫助失能者、神經疾病患者重新擁有類似常人的能力。
▲圖注：比如壹種完全植入ALS患者的腦機接口
患者們再也不用羨慕霍金的那台高科技輪椅了
（圖：NEJM.org）
PRIME目前的主要方向正是如此，幫助癱瘓患者用意念操作電子設備，此外Neuralink也在進行幫助盲人恢復視力、脊椎病患者獲得重新控制身體能力的研究。
當然對於馬斯克這樣的人來說，這顯然只是壹些初步的目標，他對腦機接口的長遠設想是建立人機之間的高效溝通渠道，消除兩者之間的鴻溝。
▲圖注：馬斯克的目標，壹如既往的“宏大”
不過未來的事，誰說得准呢
（圖：panGenerator）
腦機接口分為侵入式與非侵入式兩種模式，馬斯克的PRIME項目屬於侵入式，其特點是需要在顱骨上開壹個小孔，將芯片的電極插入大腦皮層特定區域，用以直接讀取神經元產生的細胞外電信號。
▲圖注：不同的路徑示意
最主要的區分就是需不需要開顱
▲圖注：PRIME的侵入式腦機接口示意
（圖：Neuralink）
侵入式腦機接口的優勢是可以獲取高質量、高時空分辨率的神經信號，從而獲得精細的大腦信息，但這種技術難度高、風險大，屬於腦機接口領域最硬核的方向。
非侵入式腦機接口則不需要在顱骨開孔，而是通過腦電圖、核磁共振等方式獲取神經系統信息。這種技術風險低，但因為隔著顱骨，無法對特定的神經元集群進行“監聽”，只能“聽見”大范圍腦區的宏觀活動。這就根本上，就決定了它能夠獲得的信息比較有限，壹般只能解讀大腦的整體狀態，例如清醒程度、情緒等等，很難精確地獲得特定的意圖、知覺等信息。
▲圖注：比起入侵式腦機接口
這種“滿腦電極”的非侵入式腦機接口似乎更常見
（圖：cybathlon）
打個比方：非侵入式腦機接口就像在壹座喧鬧的球場上空，只能聽見無意義的嘈雜聲，或者大量觀眾壹起喊的口號聲；侵入式腦機接口，則可以讓你選擇球場中任意壹個區域，聽見其中每個人具體在說什麼。
侵入式腦機接口無疑具有更廣闊的技術前景，但目前大部分腦機接口的工業化嘗試都是非侵入式的，這主要還是受到技術水平、成本、風險所限。在侵入式腦機接口取得重要突破之前，非侵入式腦機接口依然會是市場主流。
比如目前已經開始產品化的智能人工假肢，只需采集壹些皮膚上的肌電信號，通過AI的解析就可以精細地控制機械假肢。但嚴格意義上，這甚至不是“腦”機接口。
▲圖注：壹種仿生上肢假肢的工作原理示意
整個假肢系統同時集成了觸摸、動覺和運動意圖
此外，還有壹些所謂的“半侵入式”腦機接口，在手術難度上小於侵入式，但信號質量自然還是不如侵入式。
在大腦中植入芯片！
對於侵入式腦機接口這個最具挑戰又最富前景的方向，PRIME是當前的領軍者之壹，它開創了大量的新技術，堪稱壹項多學科交叉的工程奇跡。
PRIME的植入物是壹塊硬幣形狀的芯片——N1。N1上帶有64根導線，每根導線前端有16個電極，用以采集不同神經元的電信號。
▲圖注：N1的結構和大小示意
（圖：Neuralink）
顯然，1024個電極（即使後續會大大增加）對於數以千億計的大腦神經元，還是壹個杯水車薪的數字。
幸運的是，許多大腦信息只在很小范圍內的神經元中就可以獲得。例如運動皮層某個區域的少數神經元，就可以表達將屏幕上的光標移往不同方向的意圖。這就為初級“讀心術”提供了可能。
PRIME首先通過功能核磁共振等方法，確定植入芯片的位置，這在不同個體間大致相似，但也有壹些偏差。
▲圖注：具體而言，需要將MRI和CT掃描對齊
在術中確定植入物在顱骨表面上的位置
（圖：Neuralink）
位置確定後，切開頭皮，用特制的開孔器，在顱骨上打開壹個與芯片同樣尺寸的圓孔，再剝離下面的硬腦膜，這時大腦皮層組織就露出來了。壹台叫R1的手術機器人，會在光學系統的輔助下，將N1上的64根導線壹壹插入大腦皮層中。
N1的導線比發絲還細，同時插入過程還需避開人眼無法看見的毛細血管，此等精細的工作只有機器人才可以完成。
▲圖注：R1手術機器人
（圖：Neuralink）
微小的導線尺寸，使得同樣的空間可以插入更多導線，獲取更多的神經元信號，也大幅減少了大腦皮層的損傷、免疫反應和疤痕組織。值得注意的是，這些都是此前侵入式腦機接口面臨的難題。
R1用來插入導線的金屬針也非常細，由激光研磨，只有10-12微米寬，相當於紅細胞的尺寸，減少了插入過程對皮層組織的損傷。
▲圖注：金屬針由Neuralink定制的飛秒激光磨機制造
不到壹分鍾的時間就能在針尖上塑造出幾何形狀
（圖：Neuralink）
研究者事先劃定好插入導線的區域，具體每根線的精確位置由R1自動判定，以避開微小的血管。
▲圖注：檢查看看有沒有都避開血管
（圖：Neuralink）
每根導線上的電極可以檢測到周圍不遠處神經元發放的動作電位，然後實時傳輸給N1。
導線的位置很大程度為隨機，因為大腦神經結構異常復雜，個體間也存在差異。研究者只能確定壹個盡可能小的區域，然後在其中隨機采樣。同時，有些導線也許根本無法采集到有用信息。
▲圖注：插入導線後的大腦皮層區域
（圖：Neuralink）
導線的數量決定了能夠獲得信息的豐富度，N1已經能在猴子大腦中獲取在屏幕上移動光標的動作意圖，Neuralink計劃在下壹代芯片上安裝拾倍以上的導線和電極，屆時有望獲取更豐富的信息。
R1的導線插入只需大約20分鍾，此後N1將被放置在顱骨的圓孔中，與顱骨表面齊平，再縫合頭皮，等頭發重新長出以後，就看不出植入痕跡了。
▲圖注：N1植入後的橫切面
（圖：Neuralink）
N1的數據傳輸和充電過程都采用了無線方式，保證了使用者的行動自由。為確保長期安全工作，N1經過了大量專門設計和測試，包括抗沖擊、防水、電池安全性、生物友好性、電路發熱程度等，而且整個系統可以便利地進行升級。
▲圖注：以不同的距離和角度為N1無線充電的演示
（圖：Neuralink）
PRIME團隊還在不斷改善各方面工作，例如在不切除硬腦膜（DURA）的情況下插入導線（讓導線從腦膜中穿過），從而進壹步減少對人體的損傷。
如何解碼神經信號？
N1在匯集各個電極的信號後，通過藍牙將它們實時發送到計算機等外部設備，再由那些設備上的軟件對其進行解碼，此時就進入了腦機接口的軟件層面——解讀神經元信號背後的含義。
▲圖注：Neuralink想象中把腦機接口技術運用到日常的場景
會有手機、基座等外部設備
（圖：Neuralink）
需要注意的是，N1本身就會進行壹些數據的本地預處理，以減少數據發送量。但考慮到N1的尺寸、電量和發熱限制，大部分解碼工作仍需在外部設備中進行。
解碼軟件的核心是壹個人工神經網絡，由於每個電極壹開始采集的神經元信號，其意義很大程度是未知。因此在手術完成後，需要對植入者進行壹系列認知測試，用以訓練這個人工神經網絡，直到其可以將神經元的興奮模式解碼成准確的動作。
▲圖注：已經開發出的用戶app
N1記錄到的大腦信號將無線傳輸到此程序中進行解碼
（練習用大腦控制移動鼠標光標的界面）
（圖：Neuralink）
壹個很有趣的現象，因為只有（人工）神經網絡能夠理解（自然）神經網絡，所以即使訓練完成後，人類可能也難以理解這個黑箱系統中的具體工作原理。
訓練完成後，植入者的相關意圖，就會被轉換成光標的移動、文字、語音、機械臂的動作等等輸出了。
▲圖注：從N1傳輸來的1024個通道的神經元活動
輸入人工神經網絡（右側）後，輸出特定的動作意圖
（圖：Neuralink）
別看整個過程非常復雜，實際在理論上可以非常迅速，甚至比正常的大腦到肌肉的神經傳導更快。植入者的動作發起速度，可能還會超過普通人。
另外還可以通過植入芯片向大腦皮層輸入信號，模擬外界感官刺激，產生特定的知覺。
▲圖注：通過直接向大腦視覺皮層輸送編碼後的攝像機圖像
讓盲人重新獲得視覺
這項研究已經在猴子實驗中獲得確定成果
（圖：Neuralink）
目前而言，侵入式腦機接口最大的局限性，也許就是只能接觸較小的腦區，讀/寫有限的信息。由於腦的信息加工和存儲分布在整個腦組織各處，如果PRIME需要更廣泛的信息，只能在顱骨上開更多孔洞，植入更多芯片，甚至將顱骨上部替換為某種蜂窩網格結構。
顱骨，這個保護了動物億萬年的球形容器，或將成為腦機接口的最大屏障。
▲圖注：不過，看起來Neuralink對其
醫生團隊的開顱水平很有信心
（圖：Neuralink）
除了Neuralink，近幾年其他許多腦機接口團隊也獲得了重大突破。
2021年5月，斯坦福大學Willett團隊解讀了動作皮層關於筆畫的編碼，讓癱瘓者可以通過在腦海中“寫字”輸出文字。
▲圖注：借助這套皮質內腦機接口系統
患者每分鍾可打出90個字符
然後由系統自動識別生成字母
（圖：HHMI）
2022年6月，約翰·霍普金斯大學團隊通過植入芯片，讓壹位癱瘓者通過意念控制機械臂。
▲圖注：患者植入電極陣列後
經過幾個月的練習就可以通過腦機接口自主進食了
（圖：APL）
2023年8月，加州大學Chang團隊將芯片植入癱瘓者Ann的語言皮層，通過解讀數拾個基本語音信息的神經編碼，讓患者可以通過在腦海中“默念”輸出語句，速度最高達每分鍾78個單詞，已經接近日常交流水平。
▲圖注：植入大腦皮層的芯片
讓失語18年的Ann重新“開口說話”了
（圖：Pete Bell）
還有相對悠久的腦深部電刺激（DBS）技術，目前也獲得了更大的發展。通過在深層腦組織植入電極，用開關控制電刺激，可以緩和抑郁症、帕金森症等疾病的症狀，目前國內外都已有大量的臨床手術案例。
▲圖注：腦深部電刺激，俗稱“腦起搏器”
目前的腦機接口研究，絕大多數旨在幫助失能者、神經疾病患者恢復常人生活狀態，因而很少引起倫理問題。但腦機接口的技術本質，決定了它極易成為某種制造“超級人類”的技術（PS：這甚至就是馬斯克等人對腦機接口的技術願景）。
壹旦腦機接口技術讓壹部分人擁有了超過常人的能力，例如超強的記憶力、學習能力、反應力、感官知覺、輸出效率等等，就會引發巨大的倫理問題。
▲圖注：速讀速記不再是夢？
（圖：網絡）
首先，這無疑會帶來巨大的不公平，進壹步加劇社會分化，普通人類在經過機器強化的超級人類面前幾乎會失去競爭力。
其次，與機器和網絡的直接連接，可能對使用者產生重大的安全和隱私問題，甚至在壹定程度上，讓使用者面臨被控制的危險。
▲圖注：影視劇中家長使用腦機技術以掌握孩子的壹切
她可以查看女兒所看到的壹切事物
甚至可以控制女兒讓她看不到危險的東西
（圖：《Black Mirror》）
最後，腦機接口的發展、超級人類的出現，會逐漸模糊人機之間的界限，讓人類的生存狀態發生根本的改變。
《終結者》、《黑客帝國》、《機械公敵》等等電影中的場景也許都會變為現實，意識上傳、思維永生等科幻題材也可能實現。
▲圖注：《黑客帝國》中的腦機接口
將人的腦部活動完全“復制”到系統當中
這壹切，或許將導致人類這壹物種最終消失，“進化”成另外壹種“智能體”。就像著名的硅谷作家、奇點理論提出者——庫茲韋爾，在《靈魂機器的時代》壹書中設想的那樣：“屆時，我們今天所鍾愛的、擁有的壹切，將發生翻天覆地的改變。”
也許，多數朋友都或多或少會對這壹天感到惶恐。但如果它如蒸汽機和電力的普及壹樣無可避免，或許我們能做的就是做好自己，並時刻保持對最新事物的理解與學習的能力。
▲圖注：筆者用AI繪制的未來超級人類設想圖
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