有這樣一位名為 Buz Chmielewski 的男子,曾在一次出海沖浪時(shí)不幸遭遇意外,四肢癱瘓。從正值十幾歲的大好年華到此后的 30 余年里,Buz Chmielewski 的手臂幾乎不能做出任何活動(dòng)。
雖然再也無法回到少年時(shí)的那般健康有活力,但他還是鼓起勇氣接受了一組來自美國著名私立大學(xué)約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院、應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn),挑戰(zhàn)常人眼中的不可能。
幸運(yùn)的是,實(shí)驗(yàn)很成功!
Buz Chmielewski 借助科技的力量,用意識(shí)同時(shí)控制了兩條機(jī)械臂,這在醫(yī)學(xué)上還是首次。
首先,他控制左機(jī)械臂拿刀、右機(jī)械臂拿叉,切開盤子里的蛋糕。
接著,其中一條機(jī)械臂緩慢移動(dòng),將蛋糕送到嘴中。
其實(shí),研究團(tuán)隊(duì)用在他身上的正是大眾既耳熟能詳又表示擔(dān)憂的一項(xiàng)技術(shù)——「侵入式腦機(jī)接口」。
10 小時(shí)手術(shù)植入 6 個(gè)電極
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被稱為「雙邊腦機(jī)接口植入實(shí)驗(yàn)」。
早在 2006 年,美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)發(fā)起了與這一實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一個(gè)項(xiàng)目,希望研究團(tuán)隊(duì)能夠盡快改進(jìn)義肢(上肢)的技術(shù),為患者操作義肢提供新的思路方法——其最初的設(shè)想是創(chuàng)造一個(gè)具有類似人類能力的神經(jīng)集成義肢(上肢),隨后慢慢衍生出了模塊化假肢(MPL),集成了諸如應(yīng)用于指尖的壓力和加速度傳感器。
2019 年 1 月,在長達(dá) 10 個(gè)小時(shí)的手術(shù)中,外科醫(yī)生將 6 個(gè)電極植入了 Buz Chmielewski 的大腦,旨在改善其雙手對(duì)外界的感知,實(shí)現(xiàn)傳說中的意念控制。
具體來講,Buz Chmielewski 的大腦兩側(cè)(控制運(yùn)動(dòng)和觸覺的區(qū)域)植入了皮質(zhì)內(nèi)微電極陣列傳感器。手術(shù)中團(tuán)隊(duì)還用到了一種首創(chuàng)的方法,通過實(shí)時(shí)繪制大腦活動(dòng)圖來確定放置電極的最佳位置。
手術(shù)后,約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院、應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開始了近 2 年的聯(lián)合研究,終于達(dá)到了上述這一重要的里程碑。
如下圖所示,約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室工程師 Francesco Tenore 博士站在 Buz Chmielewski 一側(cè),密切關(guān)注著他對(duì)兩條機(jī)械臂的意識(shí)控制。
正如研究團(tuán)隊(duì)成員、醫(yī)學(xué)博士、約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)主任、教授 Pablo Celnik 所說:
這種類型的研究,我們常稱其為腦機(jī)接口(BCI),目前絕大多數(shù)嘗試都集中在通過控制大腦的一側(cè)實(shí)現(xiàn)單機(jī)械臂的控制。因此,通過植入電極從大腦兩側(cè)檢測信號(hào),控制兩條機(jī)械臂執(zhí)行基本的日?;顒?dòng),可以說是實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的任務(wù)的重要一步。
對(duì)此,研究團(tuán)隊(duì)成員、約翰斯 · 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院理療與康復(fù)助理教授、Gabriela Cantarero 博士補(bǔ)充道:
借助腦機(jī)接口同時(shí)控制兩條機(jī)械臂是一項(xiàng)特別的挑戰(zhàn),因?yàn)樗皇且粋€(gè)簡單的求和,不是說只要在大腦中算出左臂的動(dòng)作 + 右臂的動(dòng)作就行。在這里,可能 1+1并不等于 2,1 + 1 = 3.8。
值得關(guān)注的是,這一突破性實(shí)驗(yàn)其實(shí)是腦機(jī)接口 + 機(jī)器人 + 人工智能的共同成就——在患者體外的硬件部分,研究人員通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂控制的部分自動(dòng)化。如果說 Buz Chmielewski 的努力在于通過意識(shí)控制保證細(xì)節(jié)(如:蛋糕的準(zhǔn)確位置、蛋糕切好后的具體大小),那么機(jī)器人部分的工作則是為了讓這些基本動(dòng)作更易達(dá)成。
實(shí)際上,研究團(tuán)隊(duì)一直在探索利用神經(jīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 “實(shí)時(shí)”控制。為了檢測效果,還有三位參與者加入了神經(jīng)控制研究,最終三位參與者都成功實(shí)現(xiàn)了單機(jī)械臂神經(jīng)控制。
就未來而言,該團(tuán)隊(duì)還在研究通過神經(jīng)刺激同時(shí)為患者雙手提供感覺反饋的方法。Francesco Tenore 博士表示:
下一步的工作包括:增加患者日?;顒?dòng)的數(shù)量和類型,從而證明這種形式的人機(jī)合作是可靠的,從而為用戶提供額外的感官反饋任務(wù)。這也就意味著,患者不必完全依靠視覺來判斷是否成功,就像普通人系鞋帶時(shí)不用看也能感覺到自己的動(dòng)作,把鞋帶系好。
終于,利用大腦植入物,四肢癱瘓的患者能夠用意識(shí)同時(shí)控制兩條假肢了,這無疑對(duì)于脊髓高度損傷和神經(jīng)肌肉疾病患者的能力恢復(fù)有著重要意義。
腦機(jī)革命:侵入 or 非侵入?
近年來,腦機(jī)接口領(lǐng)域的重大突破逐漸多了起來。
2020 年 1月 16日,浙江大學(xué)正式宣布了 “雙腦計(jì)劃”的科研成果,植入電極的志愿者可利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂,實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)。
2020 年 4 月 23 日,《細(xì)胞》(Cell)雜志刊登了一篇來自美國俄亥俄州的重磅研究論文,介紹了一個(gè)通過腦機(jī)接口系統(tǒng)來恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷的患者手部觸覺和運(yùn)動(dòng)能力的案例,該案例中觸覺準(zhǔn)確率已達(dá)到了 90%。
北京時(shí)間 2020 年 8 月 29 日上午 6:40,Neuralink 舉行發(fā)布會(huì),展示了最新的可穿戴設(shè)備LINK V0.9和手術(shù)機(jī)器人,并通過現(xiàn)場的三只小豬和實(shí)時(shí)神經(jīng)元活動(dòng)演示,展示了 Neuralink腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程。
即便馬斯克在電動(dòng)車、腦機(jī)接口、上火星等領(lǐng)域都十分激進(jìn),但在萬眾期待的Neuralink 發(fā)布會(huì)上,馬斯克請(qǐng)來現(xiàn)場展示的仍然不是人類,腦機(jī)接口技術(shù)的難度由此可見一斑。
值得一提的是,上述三例均屬于「侵入式腦機(jī)接口」,即必須將電極植入到人腦中,而與之對(duì)應(yīng)的「非侵入式腦機(jī)接口」則是僅將電極放置在人的頭皮上,進(jìn)行信號(hào)采集。
談起后者,繞不開一位中國企業(yè)家——盛大集團(tuán)創(chuàng)始人陳天橋。
在腦機(jī)接口方面,陳天橋更為注重的是「非侵入式腦機(jī)接口」。2020 年 10 月,TCCI(陳天橋雒芊芊研究院)的首個(gè)「腦科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)室」在上海落成,中美腦科學(xué)研究領(lǐng)域的最新成果也一并展示,其中諸如用嗅覺控制夢境的腦科學(xué)領(lǐng)域研究令眾人眼前一亮。
實(shí)際上,目前國內(nèi)外已有眾多企業(yè)也開始了非侵入式的探索,利用人工智能算法、體外電極貼、手機(jī) APP 檢測睡眠質(zhì)量、解決睡眠問題的嘗試已然存在。
不論哪種方式會(huì)更先被大眾認(rèn)可,一個(gè)不可忽視的事實(shí)是:腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展已是大勢所趨。
關(guān)鍵詞: 腦機(jī)接口