北京脑科学与类脑研究所专家:脑机接口距离“人机共生”有多远?

来源:环球时报

【环球时报报道 记者 马俊】尽管面临诸多争议,但被称为“硅谷钢铁侠”的美国企业家埃隆·马斯克近日宣布,在全球首例脑机设备植入手术成功100天后,正式开始招募第二个接受脑机接口手术的志愿者。脑机接口技术成为今年持续火爆的科技话题。在不久前举行的2024中关村论坛上,由北京脑科学与类脑研究所联合北京芯智达神经技术有限公司自主研发的“北脑二号”脑机接口重大成果也引起外界的高度关注。如今脑机接口技术到底发展到什么程度?距离科幻电影中向网络空间上传人类意识的梦想还有多远?在第八个全国科技工作者日来临之际,《环球时报》记者就此采访了北京脑科学与类脑研究所仪器仪表中心主任张垒。

北京脑科学与类脑研究所专家:脑机接口距离“人机共生”有多远?

在2024中关村论坛上,“北脑二号”脑机接口重大成果进行现场展示,大屏幕中播放的是测试画面。

大脑隐藏哪些秘密

“其实最早的计算机就是在模拟人脑的工作方式。”在介绍为何要进行脑科学研究时,张垒表示,大脑神经元通过动作电位表明“有”或者“没有”,就如同电脑程序最基本的代码“0”和“1”。如今随着技术的发展,尽管AI能够在某些领域达到甚至超过人脑的能力,但从能量利用角度,效率却并不高。例如OpenAI旗下聊天机器人ChatGPT每天的电量消耗就高达50万千瓦时,相当于1.7万个美国家庭的用电量。作为对比,人脑的效率非常高,大脑功率只有15瓦左右,仅相当于一个灯泡,每天消耗的能量相当于两根香蕉,却能执行诸如行动、记忆、情感、思想等各种复杂功能。

因此科学界也一直希望从两个方面来模拟人脑:一是真正模拟人脑的工作方式,比如产生自主的思维;二是尽可能地达到人脑的能耗效率水平。著名的“欧洲人脑计划”曾雄心勃勃地希望利用超级计算机模拟人脑的运行机制,并更深入地了解大脑的功能和组织及其相关疾病,但直到2023年年底,这个耗时10年、投入6亿欧元的项目宣告结束时,仍远没有达到预期目标。

张垒表示,这是因为大脑的结构和工作模式实在太过复杂。人类大脑包含约860亿个神经元,每个神经元又通过数以千计的突触相互连接,如此庞大的连接远远超过了人类构建的互联网,它们工作的动态机制也不清楚,如此复杂的结构甚至可能超过当前人类的认知能力。此外,脑研究本身是一门复合科学,研究对象的跨度也很大,从纳米级的生物分子,到更大尺度的神经元,再到神经环路乃至全脑的生物机制,耗时耗经费在所难免。

脑机接口是什么,能干什么

尽管对于人脑的整体认知还不够全面,但科学家却在不断推进对脑机接口技术和类脑研究的进展,这些技术在治疗多种脑部和神经疾病方面大有前景。脑机接口是近年来的热门研究项目之一,也是脑科学与类脑研究领域的科技竞争高地,是涉及跨多个学科的复杂集成系统,产业上下游链路长,研发过程涉及电极、芯片、数据、算法等多个环节,涵盖电子学、软件、材料学等多个领域。

按照脑电波接收方式的不同,主要分为三条技术路线:不用手术,只是将电极贴在头皮上采集脑电波的无创(非侵入式)模式;通过手术让电极贴着大脑皮层,但并没有插进脑组织的半侵入式;以及利用微针或微丝将电极直接插入脑组织的侵入式。从理论上看,采集电极与大脑组织离得越近,收集的脑电波信号质量就越好。张垒比喻说,由于人脑日常活动时会产生种类繁多的脑电波,“脑机接口领域常以会议室打比方,在一间人声嘈杂的会议室,无创模式相当于在会场外面布置了一个麦克风收集会场内部的声音,获得的必然是一个混叠的、经过墙体(头骨)过滤的不清晰的声音;半侵入式相当于是在会议室的门口放一个麦克风;而侵入式则属于在每个人的面前放一个麦克风,自然收集到的信号最为清晰。”

但从外往里,这三条技术路线涉及的技术难度也越来越高。目前马斯克运用的就是侵入式脑机接口,直接将柔性电极植入到病人的大脑皮层,收集高质量的神经信号后,再通过特殊的算法转化为计算机能理解的指令,进而实现不依赖传统的人体外周神经和肌肉,直接指挥光标操作电脑。这些指令也可以用于对机械臂、轮椅和其他设施的控制,提高四肢瘫痪患者的独立性。

张垒介绍说,目前脑研究在运动方面对应的脑区定位比较清晰,基本确认哪个部位的脑组织对应什么样的运动,因此比较适合脑机接口。“北脑二号”也属于侵入式脑机接口,它是采用自主研发的高通量柔性微丝神经电极、大通道数高速神经电信号采集设备以及运动解码算法,组成高性能的运动脑机接口系统。在2024中关村论坛上亮相的“北脑二号”已经在猴子颅内稳定植入将近一年,在全球首次实现猕猴通过意念控制对二维运动目标的脑控拦截,解决了大规模单细胞信号长期稳定记录和实时解码的国际前沿难题,电极性能关键指标国际领先。张垒表示,“北脑二号”的所有设备和解码软件全部自研,电极性能和解码算法的整体水平与马斯克的脑机接口相关技术相当,但在系统的集成度方面还有差距。

语言和视觉是未来发展方向

5月初,全球首名接受脑机接口手术的志愿者由于植入脑部的部分电极脱落,导致收集的脑电波信号质量下降,表现为对电脑光标的控制开始变得不够精确并出现延迟,研究团队通过优化算法,基本恢复原先的功能。张垒表示,脑机接口下一步的发展方向之一是提高不同被试之间的迁移能力或者称为普适能力。因为每个人的脑电波和思维习惯都不完全一样,即便植入电极后仍需要“个人化定制”通过反复调试和有意识训练,以尽量提高大脑意图识别的准确度。如何减少这方面的调试,是未来的发展方向之一。张垒表示,除了运动领域外,国际前沿也在尝试将脑机接口技术用于语言和视觉方面,它们的脑区定位也比较清晰。马斯克此前也曾多次声称,脑机接口设备未来还可以让瘫痪者重新行走、让盲人获得视力、实现“人机共生”等。但张垒认为,人脑的高级认知功能比较复杂,可能不是某一个部位,而是分布式构成,涉及多个脑区的协同。对这方面的研究还不够透彻,因此科幻电影里将人的意识上传到网络,现在还做不到。

此外值得重视的是,目前脑机接口技术仍在科学原理、技术性、安全性、伦理等方面面临挑战,需要在未来持续探索。

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