中国科技界评论马斯克脑机接口秀:魔幻、科幻还是科学?独家解析

科学
中国科技界评论马斯克脑机接口秀:魔幻、科幻还是科学?独家解析
麻省理工科技评论 2020-09-01

2020-09-01

Neuralink 提供了一个好工具,但是困难在于基础科学
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Neuralink 提供了一个好工具,但是困难在于基础科学

当人们尚未从 “载人龙” 项目回过神来,马斯克又在 “脑机接口” 研究领域秀了一把。8 月 29 日,埃隆 · 马斯克以一场惊世展示再次吸引世界目光。

按照他们公司的宣传,Neuralink 的目的是实现人机共生。马斯克在发布会上说,未来人人都可以在脑部植入一个芯片,“解决从记忆力丧失到听力丧失、失明、瘫痪、抑郁、失眠、极度疼痛、焦虑、成瘾、中风、脑部损害等一系列问题”。

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图 | 马斯克提及的未来可以治疗的疾病(来源:Neuralink 发布会)

但从发布会的简单展示看,Neuralink 目前只是读取猪的脑电波,并预测其动作,与脑部疾病治疗离得似乎有点远。是马斯克在说大话吗?究竟应该怎样看待、解读发布会上的演示?

“从工程学来看,这算是一个进步;但从技术角度看,他们展示的所有技术都是早就已经存在的,并没有特别新的东西。”杜克大学研究员刘冰对 DeepTech 如此评价。

刘冰认为,这场发布会没有提供特别的新知识、没有展示全新技术,因此马斯克也算不上夸大其词。“他们有钱,可以在各方面有投入,将来会做好。” 刘冰的研究方向是植入式脑机接口和计算神经科学。

而从事脑机接口研究的柔灵科技公司创始人孙瑜则认为,马斯克所展示的,是把一项既有的技术给产品化,让它跟消费者、跟普通的受众之间贴得更近,“让它变得更像是我可以用的东西,让它有点人性化,而不是冷冰冰的一个机器,或者是冷冰冰的一个电极。”

应用:离我们是远还是近

来自中国科学院深圳先进技术研究院 - 深港脑科学创新研究院李骁健博士介绍说,早先美国国防部资助的一个项目提出了 “脑控机械臂” 的需求,期望以脑机结合的手段帮助战争中那些 “缺胳膊少腿” 的伤兵。借助于脑机接口和机械臂,让他们能实现生活自理。正因如此,脑控机械臂迄今依然是一个研究热点,大家认为商用前景比较好。

然后才延伸到类似癫痫这类难一些的疾病。“早期做的这类电极要扎得比较深,是一根细细的棍子,戳进大脑深处(DBS,即深度脑刺激疗法)。”

身为教授级高工的李骁健博士对这项技术有着自己的理解,“马斯克展示的这种电极不会扎得这么深,而就是刺在大脑皮层上,它最直接的用途,就是运动控制。所以我觉得,下次他再演示,也就只能演示病人控制机械手来抓东西吃。”

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图 | 2012 年首次人控机械臂进食(来源:Brown University)

其实在此之前,已经有商业公司尝试在盲人的视觉皮层做电极植入,期望让盲人获得视觉感应,目前的进展是可以让盲人看到一些光亮,还远不能跟人的真实视觉相比较。

至于马斯克所阐述的这项技术的其他一系列应用,则都要牵扯到机器与大脑之间的解码与互动。

关于这次马斯克所展示的对于脑电波所发指令的解码,北师大珠海校区认知神经工效研究中心的李征研究员给 DeepTech 做了解读:“如果不考虑精度的话,对于脑电波的解码设想 09 年就有人做了,而且刚好是我之前实验室的一个师兄做的。我看了马斯克他们那个视频,一些变量的确精度是挺高的,不过他们选择的这部分解码比较容易,如果你用聪明一点的机器,就可以非常好地解码、预测曲线。”

李征曾经在美国杜克大学神经生物学系做博士后,其导师 Miguel A. L. Nicolelis 与 Neuralink 联合创始人 Max Hodak 同期在同一个实验室工作。

来自密歇根大学医学院麻醉系的黄梓芮博士也表示了同样观点:目前的芯片植入主要针对运动皮层,而运动皮层信号的解码技术早已实现,不是难点,一般算法或机器学习都可以搞定。

“相反,如果这次发布会涉及解码人类语言,决策或意识内容,那么一定需要神经解码的技术进步,希望 Neuralink 的更高版本可以实现。长期来看,我觉得针对 Neuralink 所获得的数据,需要结合神经科学和机器学习两方面的知识。从 Neuralink 团队的人员配置上也可以看出,除了研究机器人、机器学习算法的,还有研究神经科学背景的。毕竟 Neuralink 与人脑打交道,缺少神经科学的知识,机器学习也可能会走弯路。”

李征认为,马斯克对于这个项目的诸多美好设想,目前的限制不是硬件,而是神经科学知识。“我们对一些疾病了解还不够深,所以即使他们今天已经做好了植入系统的硬件、软件和 FDA 的许可,还是不能解决上面列出的大部分问题——或许能解决一两个,其他的都要等着神经科学或者其他方面的研究到位才能做到。能解决的只有一两个,瘫痪者的光标控制的确现在能做;其次是人工视觉或者人工听觉,可以做初步系统。”

现阶段的中风患者也有脑机接口的尝试,但其设备臃肿复杂,安装调试耗时耗力,即使采用头盔式的装置,也需要进行各方面的调试,而如果实现大脑植入装置,既可以实现高保真的信号传输,也能便捷操控。在美国多年从事康复研究的林方博士认为,脑机接口的现实意义在于作为辅助工具,帮助那些有语言障碍或者运动障碍的人实现正常的器官功能。

林方博士介绍,Neuralink 目前能解决与动作有关的信号解码,但与人的思维意识还有很大距离。比如中风患者的肢体运动受限,很多情况下并不是因为他们丧失了肌肉的力量,而是神经系统对肌肉尤其是关节部位肌肉的控制受到损伤,比如原动肌和拮抗肌之间相互协调、相互制约的精妙控制机制,就常常被中风造成的脑组织损伤所破坏。

如果 Neuralink 的系统能够像马斯克展示的那样准确地预测运动中关节的角度,那么就能够根据我们对运动控制的理解来构造原动肌的收缩和拮抗肌的控制性放松的程序,并给出相应的指令来实现对相关肌肉群的操控,达成肢体运动的目标。所以从远景来看,这就有可能给中风患者的康复带来帮助。

同时,如果类似的方法用于指导性的训练,就相当于有一个智能的工具帮助患者重新学习如何使用中风之后新的身体,就像小孩子刚开始学习走路、用手等动作的情形。

无线传输的意味

林方博士评价,Neuralink 的系统实现了微型化,没有现有设备的累赘,但还需要实现解码信号的无线传输。只是相对于有线传输,无线传输需要解决电池能耗问题和解码信号的高保真问题。电池的问题或许通过无线充电来解决,否则长期而言就需要反复拆卸、安装植入大脑的装置。

去年 Neuralink 在发布会上演示的还是有线传输。

黄梓芮则表示,“基于我对发布会内容的理解,这个传输技术已经实现。目前的主要挑战可能在于无线传输的距离限制(3-10 米),有效频段范围和数据的质量。我觉得这些都会在技术的发展中逐渐优化,不是太难的问题。”

而李征则对这次展示的无线传输技术赞许有加。“我印象最深的就是植入的电极有无线的功能,这是任何以后同类技术必须要有的一个功能。他们之前是靠一个 USB 连线来传数据,现在有无线功能,那就意味着这个电器是完整的,为做人类实验奠定了基础。”

李征说,作为植入性的医疗器材,无线技术已经有 10 多年的历史了。以前那些植入心脏起搏器,或者是深度脑刺激的设备都会有无线传输,但是宽带没有那么大,传的数据不是很多,而且他们不能无线充电。Neuralink 的无线就又传电能,又传大量数据,是电子设计的一个进展。“尽管从基础技术上这也不是他们的突破,但他们做的是比较成熟可靠的一个系统,这个是一个大的医疗器材公司才能做到的事,不是一个小的学术研究团队能做得到的事情。”

1024 个通道:是多还是少?

马斯克这次所展示的芯片有 1024 个通道,跟上一版本的 3072 个通道相比,数据减少了,这是不是意味着也就相应减少了从脑部读取的数据量?

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图 | Link V0.9 芯片参数(来源:Neuralink 发布会)

“1024 个通道可以理解为 1024 个神经信号采集点。与 3072 个通道相比,虽然采集点少了,但在给定的脑区和范围内(2x1 厘米范围的运动皮层),采集到的有效数据未必受到影响。”

黄梓芮用一个比方来说明这个问题:用摄像头监测某大楼入口的人员进出,普清和高清的摄像头不会对你的监测结果造成本质影响。但如果想拍摄到人来人往的面部信息和动作细节,可能需要高速 / 高清的摄像头。

因此,具体参数依赖于你想获取的信息是什么(一个人的出现与否,还是一个人的具体表情)。在尽可能使芯片小(目前是硬币大小),同时保证采集到的信息量足够多的前提下,1024 个通道可能是个较为优化的参数。

如果视角投向这个技术的未来,当然通道数越多越好,记录到的范围越广泛越好。不仅仅限于大脑运动区的 2x1 厘米范围,还可以使用多芯片记录听觉区、视觉区、丘脑、岛叶、前额叶脑区等等。

李骁健认为,数据并不是采得越多越好,“数据太密,可能属于过采样。从一块区域能有效提取的信息量就这么多,采得再多数据也没用。”

技术可以反作用于科学

本次发布会的另一亮点,就是操作脑机接口的设备价格大幅降价,造价从千万美元级别,降到了 50 万美元,那么 Neuralink 的系统会不会对科学家的研究有帮助?毕竟,这种成本的降低可以让科学家直接读取大脑信号变得更近于现实。

“硬核科技加低成本是很厉害的商业策略,科研工作者也能从中得到福利,尤其是科研与临床紧密结合的领域。”黄梓芮举例说,有些中风患者会出现意识障碍,成为植物人;但植物人的误诊率很高,一些行为上完全符合植物人诊断标准的患者,仍可能具有健全的脑功能。虽然 Neuralink 系统还在较为初期的阶段,但它有希望成为诊断和评估人类高级认知功能的医疗设备,甚至可以应用到精神疾病领域(如抑郁症,精神分裂等)。

而李征则从另一个角度看待这个问题。

“大脑是一个很复杂的系统,我们现在只是比较初步地摸索它大概的一些结构。从宏观层面看这一大块区域的脑细胞是做什么的、从微观层面看这个细胞的机制大概怎样,这个我们都做的还挺好。但是在中间层面,这一群神经元它在做什么,或者这几个组织的交互作用是什么,这些研究就做得没那么好,因为做这些需要更好的工具。Neuralink 就可以提供一个很好的工具,来观察这个层次的活动。”

李征说,Neuralink 实际上提供了一个平台,这个平台搭好以后,可以解决各种各样的疾病,接下来是促进神经科学和医疗的进步和应用,再后面可能还有更远的想法。

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