隔空取物的“意念控制術(shù)”，這不是科幻｜黑科技拆解
撰文 | 李雷（中國科學(xué)院生物學(xué)博士、助理研究員）
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2020年8月末，特斯拉汽車創(chuàng)始人埃隆·馬斯克召開了一場新聞發(fā)布會。在會議上，馬斯克展示了三只植入腦機芯片的小豬，人們可以通過顯示器來觀察豬的腦電波活動，并預(yù)測其行為。
馬斯克的直播吸引了全球15萬人的關(guān)注，人們紛紛討論，這種可以讀取小豬大腦信號的腦機接口技術(shù)到底發(fā)展得如何了？未來會因此有哪些改變？
其實，在業(yè)內(nèi)人士看來，馬斯克這場發(fā)布會更多像是一場演示給觀眾的表演，而真正核心的腦機接口技術(shù)，并沒有比此前推進(jìn)太多。
早在2014年，腦機接口就有了真實的應(yīng)用。在2014年6月12日圣保羅舉行的巴西世界杯開幕式上，一個下身癱瘓的巴西少年，依靠大腦控制機械骨骼的運動，順利開球，讓全球都目睹了這史詩級的一刻。而創(chuàng)造這一奇跡的，就是Miguel Nicolelis（米格爾·尼科萊利斯），美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授、法國科學(xué)院院士、巴西科學(xué)院院士、暢銷書《腦機穿越》作者、2014年巴西世界杯“機械戰(zhàn)甲”發(fā)明者。
站在腦機接口領(lǐng)域巔峰的人
為了讓癱瘓者重獲新生，尼科萊利斯教授成為國際“再次行走計劃”的負(fù)責(zé)人，并將自己的研究成果在巴西世界杯開幕式上進(jìn)行了應(yīng)用。
他們首先用植入頭皮或大腦的電極來探測大腦的活動，隨后將這些信號傳輸給佩戴者身上的電腦，再用電腦解析這些信號并將其轉(zhuǎn)換為運動指令。接下來，他們又為這位癱瘓少年設(shè)計了機械金屬支撐結(jié)構(gòu)的外骨骼，來驅(qū)動少年的下肢。這樣一來，癱瘓少年的意念就能通過整套裝置傳輸?shù)綑C械戰(zhàn)甲上，驅(qū)動機械戰(zhàn)甲運動，最后成功開出這一球。
這一幕被全球數(shù)十億人觀看，引發(fā)了熱烈的全民討論。尼科萊利斯教授用實踐告訴所有人，他，是站在腦機接口這個領(lǐng)域的世界巔峰那個人。他被美國科普雜志《科學(xué)美國人》評為全球最具影響力的20位科學(xué)家之一，其研究被《麻省理工科技評論》評為10大最具突破性的科技創(chuàng)新之一。
那么，腦機接口是什么？尼科萊利斯教授又是如何在這個領(lǐng)域深耕的呢？
尼科萊利斯教授是在這個領(lǐng)域深耕了很多年的專家，他在解讀大腦信號上的卓越貢獻(xiàn)之一，就是設(shè)計研究出更加復(fù)雜、覆蓋大腦區(qū)域范圍更大的多電極分布方式來獲取神經(jīng)信號，并把腦機接口的應(yīng)用水平推到了“完全使用意識控制機器”的前沿。
在上世紀(jì)90年代，尼科萊利斯就用多電極分布的方式在小鼠上實驗了神經(jīng)信號獲取腦機接口，成功解讀了小鼠的一些大腦活動。接下來，尼科萊利斯將其應(yīng)用到靈長類夜猴身上，解碼了夜猴的大腦活動，并將其通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綑C械裝備上，結(jié)果在夜猴看不到的地方，機械臂成功重現(xiàn)了夜猴的運動方式。
有意思的是，他們進(jìn)一步將其應(yīng)用到恒河猴上，不過這一次是先把恒河猴和機械臂進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再讓機械臂實時模擬猴子的動作。很快，猴子學(xué)會了這一套操作，并似乎在某種程度上理解了這種操控。接下來猴子就安靜不動了，純粹依靠自己的意識來遙控機械臂，就仿佛機械臂長在自己身上一樣。
這一研究首次實現(xiàn)完全使用意識來操作機器，可以說開辟了腦機接口實際應(yīng)用的先河，也為2014年在世界杯上展示的那一幕奠定了基礎(chǔ)。
當(dāng)然總的來說，目前腦機接口的研究還處于起步階段，因為核心制約因素在于如何解讀大腦的信號。
人類破解大腦的百年計劃
大腦是由無數(shù)神經(jīng)元構(gòu)成的一個組織，我們?nèi)粘５囊慌e一動都受到大腦控制。而大腦的控制，以及大腦的思考和動作，本質(zhì)上是神經(jīng)元信號在相互作用傳遞信息。
神經(jīng)元彼此之間無時無刻不在傳遞著電信號，每一個動作都可以形成一個信號，最終形成了我們的意識。我們的每一個動作，每一個思考都會形成非常多的電信號。
因此，只要我們破解了這些信號的傳遞過程，那么我們就可以破解人的意識，進(jìn)一步再把信號轉(zhuǎn)換為我們的機械操作。
不過，理想是美好的，現(xiàn)實是骨感的。大腦的電信號，無論是復(fù)雜程度，還是信號總量，簡直是一個天量。哪怕我們簡單的動一下手指，皺一下眉頭，背后都是無數(shù)神經(jīng)元在活動的結(jié)果。因此這些年來，我們甚至沒有破解出一個簡單動作的所有大腦信號。
不過，作為生命醫(yī)學(xué)科學(xué)的桂冠，全世界都在密切關(guān)注，并愿意為之付出巨大的努力。無論中西，都相繼開啟了一系列大腦信號破解的項目工程，這些工程被譽為21世紀(jì)曼哈頓工程，預(yù)計需要100年的時間完成。
目前初步已經(jīng)在實施的計劃包括：
1、人類連接組項目（Human Connectome Project）
這是美國國立衛(wèi)生院NIH從2009年開始資助的一個5年項目，項目的目的是使用不同的腦成像技術(shù)（主要是靜息態(tài)功能磁共振，彌散磁共振成像，EEG、MEG等作為補充），繪制出不同活體人腦功能、結(jié)構(gòu)“圖譜”。
2、推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計劃（簡稱“腦計劃”）
2013年4月2日由奧巴馬政府公布，該計劃旨在探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖，并最終開發(fā)出針對大腦疾病的療法。
3、人腦工程研發(fā)計劃
將由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授亨利·馬克拉姆牽頭，來自世界各地的87個研發(fā)團(tuán)隊共同實施。這一項目計劃用十年時間，利用計算機制造“活”的人腦模型。具體而言，研究人員需將人類大腦切成8000片，而后利用高性能掃描儀進(jìn)行數(shù)字化處理，繪制人腦詳圖；同時利用超級計算機描繪和模擬大腦所需的海量數(shù)據(jù)，最后將成千上萬的神經(jīng)元模型形成局部模型，組裝為一個可正常運轉(zhuǎn)的、完整的人類大腦模型。
4、中國腦計劃
已獲國務(wù)院批示，并被列為“事關(guān)我國未來發(fā)展的重大科技項目”之一，將從認(rèn)識腦、保護(hù)腦和模擬腦三個方向全面啟動。目前中科院的九個卓越中心里，涉及到生物和醫(yī)學(xué)的唯一中心就是依托上海生科院的“腦科學(xué)及智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心”。
盡管徹底完成對大腦信號連接的解讀需要耗費數(shù)十年甚至上百年，但是并不等于我們需要等到最終完成的那一天。事實上，這些年來，對于大腦信號連接的解讀一直沒有停滯。
比如在2013年，科學(xué)家利用功能性磁共振成像技術(shù)將志愿者睡眠時的大腦活動記錄下來，整理出3人睡夢中的一些常見內(nèi)容，比如樹、男人等，并將這些內(nèi)容分成大約20個類別；然后又與3人清醒狀態(tài)下見到相似場景時的腦活動相比較，得出每個類別的腦活動特征。
最終結(jié)果是，研究人員開發(fā)的電腦程序能學(xué)習(xí)、識別并破譯出這些腦活動特征，準(zhǔn)確率高達(dá)60%。這是一個非常淺顯的、就像我們看小孩子玩泥巴似的實驗，但是是一個非常重要的證據(jù)，證明我們的大腦活動是可以被理解和解讀的。
可以預(yù)期的是，未來隨著我們對大腦連接的解讀進(jìn)一步加深，總有一天，我們會徹底破解大腦的秘密。而腦機接口的應(yīng)用也將會一馬平川——
未來肢體受損的人，不單單是更換一個假肢，而是一個真正可以用大腦控制的肢體，不僅跟我們自身的肢體一樣易用，而且還更耐用且可更替；人類也可以用意識直接來控制更多的機器，比如在發(fā)生地震、火災(zāi)等災(zāi)害的地方，再也不需要消防員親自進(jìn)入，而是可以通過專業(yè)消防人員的意識，來操控機器來進(jìn)行靈活的救援。
顯然，這是一個非常值得期待的未來。
注：11月7日，騰訊科學(xué)WE大會上，Miguel Nicolelis教授及數(shù)位全球頂尖科學(xué)家將為大家分享最新科學(xué)突破。
制版編輯 | 栗子
