人类的“下一次进化”藏在癫痫病人大脑中?一名神经外科医生用18年来寻找造脑机接口终极答案丨特稿

生物医学
人类的“下一次进化”藏在癫痫病人大脑中?一名神经外科医生用18年来寻找造脑机接口终极答案丨特稿
麻省理工科技评论 2017-12-04

2017-12-04

Leuthardt 相信在未来的几十年中,这种硬件植入会像整容手术和文身一样常见。
脑机接口
Leuthardt 相信在未来的几十年中,这种硬件植入会像整容手术和文身一样常见。

在知名的科幻电影《银翼杀手 2049》中,一种名为复制人(replicant)的角色给了观众以极大的震撼,它们是一种模样极为逼真的生物改造人形机器人(android)。在未来的世界中,我们很难确保这类的机器不会出现,同时很多科幻作品也对这种极具想象力的事物做出了各种各样的预测。但当我们在谈论未来的生物或复制人时,但是却漏掉了很多关键环节。比如,神经修复学在其中会起到什么重要的作用?这是 44 岁的科学家兼脑外科医师 Eric Leuthardt 一直在思考的问题。这位医生与其他同行很不一样的一点是,他不仅在圣路易斯的华盛顿大学担任神经外科医生,还发表了两部小说,写的剧本甚至还获过奖。

他的作品中就包括入门门槛颇高的科幻小说。Leuthardt 发表的第一篇小说是一篇名为《红魔 4》(RedDevil 4)的科技惊悚小说。在小说中,90% 的人选择直接将计算机硬件植入到大脑中,实现人与计算机之间的无缝衔接。这样人们就能在足不出户的情况下,获得各种感官体验。Leuthardt 相信在未来的几十年中,这种硬件植入会像整容手术和文身一样常见。这部看似“不务正业”的文学作品,却藏着这位神经外科医生最大的野心——造出脑机接口。

 

“为什么不请癫痫病人做实验对象”

事实上,Leuthardt 从事的工作可能是全世界离脑机接口最接近的工作——他的专长是为罹患顽固癫痫的病人动手术,在进行主手术前,癫痫病人必须提前几天在大脑皮层中植入电极,好让计算机收集癫痫发作前的神经元放电模式。一直以来,科学家们都知道神经元放电是人类运动、感觉和思维功能的基础,但是探索神经元彼此之间的交流机制、破解神经元与身体其余部分的沟通代码——即真正听懂并精确解读脑细胞是如何指挥我们活动的——始终是神经科学最令人望而生畏的任务之一。

上个世纪 80 年代早期,约翰·霍普金斯大学的 Apostolos Georgopoulos 就发现,运动皮层高级处理区域的神经元,会在特定的运动前放电——例如将手腕向右摆,或将手臂向下甩。Georgopoulos 的发现之所以如此重要,是因为人们可以利用这些信号预测运动的方向与强度,该发现为近年来的脑机接口技术革命奠定了基础。很显然,医生完全可以用这些数据帮助瘫痪病人使用意念控制假肢器官。这就是 Georgopoulos 的徒弟 Andrew Schwartz 上个世纪 90 年代所研究的课题,当时,他已经成功地将电极植入到猴子脑中,并开始证明我们可以训练猴子通过思考控制机械四肢。如今,Schwartz 已经是匹兹堡大学的一名神经生物学家。

Leuthardt 的脑机接口梦想正是基于 Schwartz 的研究工作。1999 年,Leuthardt 正在圣路易斯的华盛顿大学神经外科进行高级专科住院实习,当时他需要确定在一年的科研假中做什么课题。不可否认,Schwartz 取得的初步成功使得 Leuthardt 相信,科幻小说即将成为现实,科学家终于开始尝试人机融合。Leuthardt 决定参与到这场即将到来的革命中。

Leuthardt 首先面临的就是如何解决前辈们都遇到的瘢痕化问题:随着时间的推移,Schwartz 和其他人在研究中植入的单电极有的引发了炎症反应,有的则被脑细胞包围无法动弹。但当 Leuthardt 和他的导师坐下来制定计划的时候,两个人想出了更好的办法——为什么不看看他们能否使用完全不同的大脑记录技术。有了这个想法后,Leuthardt 需要寻找实验的对象。Leuthardt 注意到,在他为癫痫病人治疗的过程中,到了数据收集的阶段,病人只能躺在医院病床上,难免觉得无聊。

于是,在大约 15 年前的某一天,Leuthardt 突然有了个点子:为什么不请癫痫病人来当实验对象呢?这样既能缓解病人的无聊又能帮助自己实现梦想。“当时我们就想,我们一直都有已被植入电极的人类患者!为什么不在他们身上做点实验呢?”,他说。发现了这个更为清晰的着手点之后,Leuthardt 开始为病人设计任务,并分析其大脑信号,试图了解大脑如何编码以使我们产生思想和意愿,以及它产生的信号哪些能够用来控制外置设备。

神秘的脑机接口世界就这样朝着 Leuthardt 徐徐打开了大门。

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他们引起了美国军方的注意

在 Leuthardt 之前,约翰·霍普金斯大学的 Georgopoulos 和 Schwartz 是利用紧邻单个神经元细胞膜的微电极来探测电压变化,获取数据。而 Leuthardt 使用的电极则体积较大,并被放置在患者大脑皮层表面、头皮之下的塑料条带上,用于记录数十万个神经元同时发出的信号。这些电极会在手术前植入到癫痫病人脑内。为了放置这些电极,Leuthardt 先通过手术除去了病人的颅骨顶部,穿透硬脑膜(大脑最外层的膜),将电极直接放置在大脑上面。随后,他将电极与从病人脑部伸出来的一束电线相连,插到可分析大脑信号的装置中。 

癫痫病人发作时脑部异常放电的起源部位一直很难确定。几十年来,此类电极一直被用来确定癫痫病人的病灶,效果很好。电极植入手术结束后,病人将不再服用抗发病的药物,等待癫痫发作——发病时获得的显示其放电来源的数据,能够帮助 Leuthardt 这样的医生来决定切除大脑哪个部分,防止疾病再次发作。但是,很多人怀疑电极能否将收集到足够的信息来控制假肢。为了找到答案,Leuthardt 找到了 Gerwin Schalk,他是纽约州卫生署公共卫生实验室沃兹沃斯中心的一名计算机科学家。两人的合作取得飞速进展。经过几年内的测试后, Leuthardt 的患者可以玩《太空入侵者》(游戏,又名“小蜜蜂”)了,只通过思考便可以让一艘虚拟飞船左右移动。然后他们还在屏幕上的三维空间里移动了光标。

2006 年, 在一次会议上就这一成果发表讲话后,美国陆军研究办公室项目经理 Elmar Schmeisse 找上了 Schalk。Schmeisser 看上的是复杂得多的东西。他想知道是否可以解码“脑中话语”——不出声,只是默默地在大脑里说的话。Schmeisser 同样也是一个科幻迷, 一直梦想着创造一个“思想头盔”, 可以探测到士兵脑中说出的话,通过无线传输到一位战友的耳机中。于是,Leuthardt 立即招募了 12 名已植入电极的癫痫患者,他们被安排在自己的房间,无所事事,等着病症发作,之后给每个人 36 个“辅音-元音-辅音”的简单词汇,如“赌”(bet)、“蝙蝠”(bat)、“击打”(beat)和“靴子”(boot)。他要求病人大声念出这些单词,然后在脑海中想象自己再念一遍。

词汇通过视觉方式传达(显示在屏幕上),没有任何音频信息;然后再用声音传达一遍词汇,这一遍没有任何视觉信息,确保 Leuthardt 能区分传入大脑的感觉信号。然后他将数据传给 Schalk 进行分析。Schalk 的软件依赖的是模式识别算法,通过训练,他的程序可以识别某组神经元同特定任务或者想法相关的激活模式。这些数据来自至少 50 到 200 个电极,每个电极每秒产生 1000 个读数,这意味着程序必须处理多到使人晕眩的变量。电极越多,神经元数与电极数之比越小,就越有可能检测到有意义的模式,前提是拥有足够的算力可以用于滤掉无关的噪声。

“分辨率越高越好,但最低也需要一秒 50000 个数据,你必须提取你真正感兴趣的内容,这可没那么简单。”Schalk 说。然而,Schalk 获得的结果意外地稳定。当 Leuthardt 的被试念出一个单词,数据显示与说话时肌肉运动相关的运动皮层区域活跃了起来。听觉皮层以及一直以来被认为一个与语音处理相关的临近脑区,也在完全相同的时刻激活。值得注意的是,即使被试者只是默默地在想象那个单词,也会出现类似但略有不同的激活模式。

这样的结果让 Schalk、Leuthardt 以及其他参与这个项目的人相信,他们已经找到了人类在想象中说话时听到的那个“声音”。但是,他们发明的这个系统一直未达到完美:经过多年的努力和对算法的改进,Schalk 的程序猜对的概率只有 45%。而 Schalk 和 Leuthardt 也并没有试图追求更高的准确率(他们预计,使用更好的传感器会得到更好的结果),而是专注于解码越来越复杂的语言结构。“我们目前有初步证据,我们可以解码意图,我知道我们的方向是对的。”Leuthardt 说。

 

被资本市场泼冷水

获得上述实验结果后不久,Leuthardt 请了七天的假,进行写作、想象未来、考虑短期及长期目标。在一大堆待办事项之中,他决定首先要使人类社会为未来做好准备,而这件事情仍然在很大程度上仍未完成。Leuthardt 坚信,如果有足够的资金,他就可以制造一个适用于大众市场的植入假体,允许人们通过大脑使用计算机并在三维空间里控制光标。用户也可以做其他的事情,仅仅在脑中想想就能开灯关灯、调节暖气。

他们甚至可以体验非自然触发的触觉,实现将想象中的话语转化为文本这样的初步方式。“使用目前的技术,我可以做植入,但是会有人想要吗?”他说。“我认为重要的是要采取实用、间隔较短的步骤,一步一步让人们走上这条长久以来我们一直向往的路。”为此,Leuthardt 成立了 NeuroLutions,这家公司旨在证明,即使在今天,市场也需要这种将思维和机器联系在一起的初级设备。该公司已经开始使用这项技术来帮助患者。NeuroLutions 迄今已经募集了数百万美元,针对半身不遂中风患者的非侵入式脑机接口目前正在进行人体试验。

这套设备包含套在头皮上大脑监测电极,电极连接到一个手臂矫形器上; 它可以在信号到达大脑运动区之前就检测到意向运动的标志性神经信号。神经信号与中风损伤的脑区基本处于对侧——所以运动皮层的信号基本上是完整的。通过对信号的检测和放大,使用它们来控制一个能够使瘫痪的肢体移动的设备,Leuthardt 发现,他可以帮助病人重获独立控制的四肢,该方法比目前市场上所有的方法都更快且更有效。重要的是,不通过脑部手术也可以使用设备。虽然这项技术同 Leuthardt 对未来的伟大创想相比的确有些一般,但他认为,在这个领域,他能够让人们的生活产生有意义的转变。在美国大约有 70 万名中风患者,每年最常见的运动障碍是手部瘫痪。找到帮助更多人恢复功能的方法,并证明这种方法可以做到更快、更实用,不仅可以证明脑机接口的潜力,还可以满足巨大的医疗需求。

使用贴在头皮上的非侵入式电极坐会让病人不那么排斥这项新发明,但它也有严重的局限性。来自脑细胞电压信号需要穿过头皮才能到达传感器,可能会衰减,而且在穿过头骨时也有可能扩散。使得信号难以检测,也难以分辨来源。当然,使用直接接入大脑皮层的植入式电极,Leuthardt 可以实现更多的变革性的壮举。但侵入式手术已经让他碰过一鼻子灰了,脑部手术这个选项不仅仅难以兜售给病人,也难以说服投资人。

当他和 Schalk 于 2008 年成立 NeuroLutions 时,他们希望通过瘫痪运动恢复,将这样的接口推向市场。但投资界并不感兴趣。首先,神经学家领军的初创公司测试脑机接口十多年,却很少能成功将技术转化为可行的瘫痪病人治疗方案。其次,潜在的病人数极少,至少与其他竞争风险投资的医疗器械公司瞄准的病症相比是较少的(美国大约有 4 万人四肢完全瘫痪),大部分使用这种技术实现的功能使用非侵入式接口也可以完成。即使大多数闭锁综合征患者只能眨眼或摆动手指,依靠这些残余运动的产品可以用来输入数据或移动轮椅,也不需要面临直接在皮层植入电极会涉及到的危险、恢复时间以及必要的心理建设。

所以,他们最初的筹资失败后,Leuthardt 和 Schalk 盯上了一个更合理的目标:逐渐地推动人们对此的接受度。比如说,他们发现,许多病人在拆掉矫形器后还恢复了额外的功能,例如,手指精细动作控制功能。事实证明,通常情况下所有的病人需要一点推动。然后,一旦建立了新的神经通路,大脑会继续将其改造和扩大,使神经可以向手传达更复杂的运动命令。Leuthardt 期望在这些患者中的初期成功案例将鼓励一部分人转向一种更稳健的非侵入式系统。

“几年后你可能会说,使用非侵入式的版本,竟可以得到如此多的好处。但我认为根据我们所知的科技和其他的一切,我们可以给你更多的好处,”他说,“我们可以让你恢复更多功能。”

 

“炒作会让整个领域倒退二十年”

Leuthardt 如此渴望世界分享这项可能有着变革性影响技术的热情,他也试图通过艺术影响公众。除了小说和剧本,他正在与一位神经外科医生制作一个播客和 YouTube 系列视频,节目中两人会就着咖啡和甜甜圈讨论技术和哲学。Leuthardt 的第一本书《红魔 4》(RedDevil 4)中,一个角色使用他的“皮层假体”,坐在沙发上体验了攀登喜马拉雅山的感受。另一个警探,通过心灵感应与同事商量如何审讯他们面前的谋杀嫌疑人。每个角色都可以随时访问世界上所有的知识库,只要想到便能看到。没有一个人是孤单的,我们的身体不再限制我们。另一方面, 每个人的大脑都是容易受到计算机病毒侵蚀,病毒会把人变成精神病患者。Leuthardt 承认,要复制这样的未来,目前我们仍达不到记录并刺激其所需要数目的神经元的算力水平。但他声称,他与一些硅谷投资者交谈后更乐观了,我们正处在创新爆炸的边缘。

虽然脑机交互界面像是个异想天开的愿望,但是有类似想法的绝对不止 Leuthardt 一人。去年 3 月,特斯拉(Tesla)兼 SpaceX 的创始人伊隆·马斯克(Elon Musk)就成立了 Neuralink,一家致力于打造人机交互设备的企业。Facebook 的马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)也表达了类似的愿望。去年春天,他的公司就曾披露旗下 60 名工程师正在构建利用意念打字的交互界面。在线支付系统 Braintree 的创始人 Bryan Johnson 也在利用个人财富支持 Kernel 公司的发展,意在发展神经义肢技术。他希望该技术最终能够促进智力、记忆功能等方面的发展。

然而这些计划尚处于早期阶段,并且被严格保密,外人很难评估当前的研究进度——甚至无法判断目标是否有望实现。打造脑机交互界面着实挑战颇多。马斯克和扎克伯格等人所讨论的设备,不仅需要更好的硬件来实现电脑与杂乱的人脑灰质之间无损伤机械衔接与实时沟通,它们还需要足够强大的计算能力来处理并解读人脑数千亿神经元实时产生的海量数据。此外,我们还不知道大脑的编码方式。换句话说,我们还得学习如何读懂人脑的想法。Leuthardt 对于脑机接口的未来抱有十足的信心。“纵观当前的技术进步速度,不难想象,20 年内,手机中的所有功能都可以集中至一个米粒大小的设备之中”,他说,“这种装置有可能以微创的形式植入到人脑当中,执行各类运算任务,支持脑机交互界面的正常运转。”而 Leuthardt 的搭档 Schalk 没那么乐观。他怀疑 Facebook、马斯克和其他人在追求更好的交互技术时,也在各自打着自己的算盘。 

“他们所做的事情和科学界没有什么不同”,Schalk 说。“也许他们能做出一些成果,但不太可能是那种别人都做不出来的东西。”Schalk 认为有一个趋势是“非常明显”的,那就是在未来 5 到 10 年某种形式的脑机接口会被用来治疗中风患者、脊髓损伤、慢性疼痛和其他疾病的现象。但他将当前的记录技术比作 1960 年代的 IBM 电脑,认为它们现在过时了。为了使脑机接口技术实现它真正具备的、具有长远发展的潜力,他认为,我们需要一种新的脑部扫描技术,可以一次读取更多神经元的技术。

“你真正想要的是能够听懂大脑,并以一种大脑无法与它们内部交流方式区分的方法同大脑对话,我们现在还做不到”,Schalk 说。“目前我们还不知道如何实现。但显而易见的是,它会发生。当它发生时,我们的生活将被改变,实现前所未有的变化。”突破出现的方向和时间目前还不清楚。经过几十年的研究和进展,技术挑战仍然艰巨。不过,神经科学及计算机硬件和软件的进步必定会让我们取得这样的成就,至少忠实信徒是这样认为的。

Leuthardt 也曾坦言,创作文学作品的初衷就包括“让社会为未来可能发生的改变做好准备。”现在,Leuthardt 已经感受到了来自硅谷的热情:“人们真的兴奋了起来,开始将脑机接口当做实用的技术看待。这是我们之前未曾见过的状况”。但他承认,如果这只是一时的炒作,可能会“让整个领域倒退十年或二十年”。“脑机接口会实现的,这有可能改变人类的进化方向”,Leuthardt 说。

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