“三人一脑”:科学家首次将三个人的大脑连在一起玩俄罗斯方块

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“三人一脑”:科学家首次将三个人的大脑连在一起玩俄罗斯方块
麻省理工科技评论 2018年10月14日

2018年10月14日

互联网缩短了人与人之间的距离,让世界成为“地球村”,来自不同国家、民族、文化的人可以通过网络,跨越空间的界限交换信息,协同合作。
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互联网缩短了人与人之间的距离,让世界成为“地球村”,来自不同国家、民族、文化的人可以通过网络,跨越空间的界限交换信息,协同合作。

互联网缩短了人与人之间的距离,让世界成为“地球村”,来自不同国家、民族、文化的人可以通过网络,跨越空间的界限交换信息,协同合作。

而今,一群疯狂的科学家们希望更进一步,而且是以更科幻的方式:建立“脑联网”(Brainnet),即连接每个人的大脑,建立以人脑为基础的“社交网络”,使人们即使不说话、不见面,就能完成“意念交流”。

而今,来自美国华盛顿大学(University of Washington)和卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究学者就成功迈出了最初的一步,他们首次成功地建立了多人脑对脑接口(brain-to-brain interface, BBI)合作系统,通过脑电图(EEG)和经颅磁刺激(TMS)结合工作,使三名受试者在彼此没有对话的情况下,通过分享意念,成功合作完成俄罗斯方块的游戏,平均准确率高达 81.25%,且整个受试过程是无侵入性无损伤的。

“三人一脑”:科学家首次将三个人的大脑连在一起玩俄罗斯方块

图 |“脑脑接口”研究预印本最近在 arXiv 网站公布(来源:arXiv)

当然,脑对脑接口的意义远非只是单纯提供了一种新的社交方式,实际上“脑联网”还可以帮助我们更多的了解关于人类大脑在更深层次上如何运作的信息。

“如果可以将脑对脑接口的服务器与互联网相结合,那么世界范围内任何接入网络的设备或成员都可以获取或分享信息,”本文的研究者之一,来自华盛顿大学的 Andrea Stocco 介绍到,“世界范围内‘脑联网’的实现不仅可以开辟交流和合作的新领域,更能帮助人类更深入的了解大脑运作。”

该研究的具体细节以预印本的形式于 9 月 23 日发布在 arXiv.org 上。值得注意的是,本次文章的第一作者是来自中国的留学生姜麟星,他刚刚在华盛顿大学本科毕业,现在开始攻读硕士。



“三人一脑”


小时候我们都玩过“两人三足”的游戏,这是一个考验多人协调合作的游戏,而我们今天所介绍的研究内容可谓与之异曲同工,三人“一脑”,即三个人各自承担大脑功能的一部分,最终共同完成任务。不同的是,用以评估的媒介是另一款经典游戏——俄罗斯方块。

“三人一脑”:科学家首次将三个人的大脑连在一起玩俄罗斯方块

(来源:维基百科)

在这个游戏中,操作者需要旋转调整随机出现图形的角度,使其落下时成功排满底部,这样排满的一行就会被自动消除。

研究者将这个判断、执行的过程硬生生的拆分为两部分,并由三个人(三颗人脑)合作完成。其中两个人(感受指令者)可以看到完整的游戏界面并作出指令,而另外一个人(接受操作者)则通过合作者给出的指令进行操作。

对此,姜麟星表示:“方块在脑信息提取和传送的过程中是不下降的。信息发送者有最多 15 秒时间做出决定。”

该项研究共招募了 15 名 18-35 岁的受试者,其中 8 名为女性,他们每 3 人分为一组,最终 5 组实验的平均准确率高达 81%。这里准确率是指,操作者接受的信号与感受者发出的指令吻合的比例。

在研究中,三个人彼此看不见,且并没有语言沟通,所依赖的只有基于脑电图(EEG)和经颅磁刺激(TMS)的脑机接口平台。在实验中,只有感受者会在屏幕上看到随机出现的图形以及底部的图形排列,而操作者无法看到屏幕底部,因而不能判断图形是否需要旋转。

两名感受者可以根据是否需要旋转图形而选择紧盯屏幕左右两侧不同的发光二极管,用以向操作者发出指令。这两个发光二极管分别以不同的频率闪烁:频率为 17 赫兹的代表“是”,频率为 15 赫兹的则代表“否”。

随后,连接于感受者头部的 EEG 电极会捕捉这个决策信号(脑电冲),并将其解码,最终通过经颅磁刺激 TMS 帽子将该信息传递到第三人的大脑枕叶皮质区。如果传递的信息是“是”,那么操作者将会形成闪光样的幻视,并可以依照此信息执行感受者发出的指令,完成游戏,如果是“否”,则没有幻视出现。

而操作者接受到来自两个感受者的数据后,可以选择执行动作。感受者可以看到操作者是否已经做出了正确的选择,而在下一轮通信中发送下一个动作。这就实现了游戏的下一轮互动。

不仅如此,研究中还提到,研究者刻意添加干扰,将其中一个感受者的决策准确性降低。而实验结果表明,操作者总能从两个感受者中区分出“好”和“坏”,并作出正确的决策。这意味着在未来繁杂的“脑联网”中,人脑具有成功筛选有效信息的潜力。

对于决策的细节,姜麟星对 DT 君说:“在一次信号交流中,来自不同的感受者的信号总是以相同的顺序被发送到操作者。(比如先感受者 1,再感受者 2,在同一信号交流内的所有尝试,顺序不变)。”

研究人员也表示,“基于云的脑脑接口服务器可以指导网络上任何设备之间的信息传输,并且这些传输可以通过互联网在全球范围运行,因此这将允许全球大脑之间的云交互。”



通感


事实上,这并非是该团队的第一次亮相。

2015 年,Andrea Stocco 就曾带领团队通过脑电图 EEG 和经颅磁刺激 TMS 使人类完成了通过意念的“通感”。在实验中,研究人员将两个受试者通过相同的设备连接,并要求其回答 20 个问题,同样使用幻视的闪光传递信息,选择“是”与“否”的答案。

除了脑对脑接口,脑机接口(Brain Computer Interface , BCI)在近年来也得到了迅猛的发展。脑机接口是指在人或者动物脑部与外部设备间创建的直接连接通路,分为单项脑机接口和双向脑机接口,用来完成脑与设备之间的信息交换,从入侵方式来看又可分为侵入式脑机接口、部分侵入式脑机接口以及非侵入式脑机接口。

人工耳蜗可以算得上是最常见的脑机接口,早在 1961 年,医生和发明家威廉·豪斯(William F. House)测试了第一个人工耳蜗,他通过将声音频率转化为不同部位的电流刺激,使患者重新获得“听觉”。

进入 21 世纪,脑机接口的发展更是势如破竹。

2004 年,由布朗大学(brown university)研发的 BrainGate 系统被植入 13 名瘫痪者的脑中,植入大脑皮层中的电极可以检测受试者的大脑意识,并通过体外解码,转化成为电信号进而控制肢体行为,使瘫痪患者可以自行进食,甚至活动肢体。

不仅仅是控制自身四肢,脑机接口更是帮助残障患者化身“机甲战士”。2014 年的巴西世界杯开幕式上,一名瘫痪少年身着机械铠甲、通过意念控制机器人外骨骼“机械战甲”为世界杯开幕式开球。

值得一提的是,这次介绍的研究是完全无侵入性的,对于受试者并没有任何伤害。同时,参与的人数也并没有限制,只要有足够的 EEG 和 TMS 设备,就可以真正的实现“脑联网”。

尽管目前该系统传输信息的速度缓慢且并不完全可靠,一次也只能传输 1 比特的数据,而且与“意念控制”相关的伦理问题学界仍存疑,但华盛顿大学和卡内基梅隆大学的研究人员认为,未来这种系统还可以完善与扩展。

姜麟星对 DT 君说:“现如今的脑对脑接口极大地受限于信息传送效率(现在每次信息传送量为 1 比特),这也是下一步我们希望解决的问题。脑对脑交流也为因脊椎损伤而无法移动或因脑损伤而丧失语言能力的人一种新的交流可能性,因为脑电波可能是他们唯一的可以用于交流的方式。”未来该团队将会开发其他工具如 fMRI 用于更深层的信息接收与传递。

尽管目前的研究只是“脑联网”的开端,但该研究完成了首个基于人脑的“社交网络”的建立,这一构想对于未来的信息交互及协同合作、集万众智力共同解决问题都具有深远的意义。甚至对于一些残障人士,如盲人,未来极有可能可以通过“脑联网”,从别人的意识中获得视觉,分享五彩缤纷的世界。

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