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導讀：科幻電影愛好者想必都看過《黑客帝國》，除了男主演基努·李維斯慢動作躲子彈的經典鏡頭，電影裡通過“腦後插管”實作人機互動的場景也令人記憶猶新。
現實當中，這項技術也是存在的，并且有一個專有名詞：腦機接口。聽上去是一種高大上的未來黑科技，但是随着成功的案例越來越多，這項技術也逐漸讓人們看到了更多的可能性，當人腦和電腦結合，到底能産生什麼樣的改變？
何為“腦機接口”
首先還是先看看概念。
根據維基百科：
腦機接口（英語：brain-computer interface，簡稱 BCI；有時也稱作 direct neural interface 或者 brain-machine interface），是在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部裝置間建立的直接連接配接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的指令，或者發送信号到腦（例如視訊重建），但不能同時發送和接收信号。而雙向腦機接口允許腦和外部裝置間的雙向資訊交換。
在該定義中，“腦”一詞意指有機生命形式的腦或神經系統，而并非僅僅是抽象的“心智”（mind）。“機”意指任何處理或計算的裝置，其形式可以從簡單電路到矽晶片，并不單單指計算機。
人類對腦機接口的研究已持續了超過 30 年。20 世紀 90 年代中期以來，從實驗中獲得的此類知識呈顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎上，應用于人體的早期植入裝置被設計及制造出來，用于恢複損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。
這項研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機接口相适應，可以象自然肢體那樣控制植入的假肢。在目前所擷取的技術與知識的進展之下，腦機接口研究的先驅者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口，而不僅僅止于恢複人體的功能。
頭頂開洞、腦後插管... 腦機互動很可怕？
正如概念所說，腦機接口主要是為了幫助特殊人群恢複人體功能，已經有不少企業正在緻力于這一研究——那麼，腦機接口要如何實作呢？
目前，實作腦機接口的主要方式分為兩種：侵入式和非侵入式。
侵入式需要通過開顱手術來植入晶片，進而實作腦機互動，雖然“粗暴”，但能夠更好地接觸大腦和神經，進而取得更好的互動效果；非侵入式則溫和很多，隻需要在頭上戴一個貼着電極的裝置即可，可以簡單了解為電影《X 戰警》中，X 教授頭戴的裝置。
侵入式互動
今年 4 月，《自然》雜志上發表了一篇主題為：“利用人工智能将腦信号轉化為語音”的文章，文章顯示，來自加州大學舊金山分校的研究人員已經可以通過 AI 與植入大腦的電極相配合，将實驗對象的腦信号成功轉換為語音并進行播放。
實驗的志願者需要在大腦植入一塊手掌大小的電極闆，之後則需要大聲朗讀數百個句子，研究人員會記錄下此時的大腦活動，并确定哪些信号控制了所謂的發聲器官，包括嘴唇、舌頭、下颌、喉頭以及人們在沒有意識到的情況下移動的嘴和喉嚨的其他部位。通過參與者足夠的腦信号資料，科學家們能夠建立一個計算機模拟的聲道。
研究人員設計了一種循環神經網絡（RNN），可以将記錄的皮質神經信号轉化為聲道咬合關節運動，然後将這些解碼的運動轉化為口語句子。研究小組對這些資料進行了深度學習算法的訓練，然後将程式整合到解碼器中。
負責人 Edward Chang 表示，這項研究或許可以讓喪失語言功能的人重新“開口說話”。
有着“鋼鐵俠”之稱的特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克更是侵入式腦機接口的支援與實踐者。他所擁有的 Neuralink 公司自 2017 年成立以來，一直從事着腦機接口的研究。馬斯克曾說過：
人工智能早晚會戰勝人類，面對這一挑戰、避免極端危險境地唯一可能的方式，就是想辦法把人腦和人工智能融合在一起，讓人類和人工智能共生。
Neuralink 的方案也跟它的老闆同樣“瘋狂”：利用一台神經手術機器人向人腦中植入被稱為“線”的專有技術晶片和資訊條，然後可直接通過 USB-C 接口讀取大腦信号，甚至可以通過蘋果手機的應用程式進行控制。據悉，Neuralink 公司已開始在老鼠身上進行測試，并與加州大學戴維斯分校合作用猴子試驗。
Neuralink 腦機接口方案示意圖
在釋出會上，馬斯克曾表示一些具有聽力和視力缺陷或腦部損傷的人士将可以利用這一技術彌補部分的功能，并有望在 2020 年展開臨床實驗。
但是，目前業内對于馬斯克這一計劃的實作也有所擔憂。有專家稱：侵入式接口最大的挑戰是手術如何将對腦部的損傷降到最低，并且随着植入時間延長，穿刺電極被發炎細胞包裹，理論上會導緻信号缺失；此外，電極植入部位的精準選擇、信号的有效分析，需要對大腦功能結構和活動方式的深入了解；同時，在信号控制、微制造等領域，也将面臨前所未有的挑戰；最後，這一技術能否在健康人士身上運用也值得探究，在倫理上更需要嚴格把控。
非侵入式互動
并非所有的腦機互動實作都要“開洞”或“插管”，比如來自俄羅斯 Neurobotics 公司和莫斯科實體與技術研究所的研究人員就發現了一種方法，可以将一個人的大腦活動可視化為真實的圖像，模拟他們實時觀察到的情況，這種方法不需要給大腦植入任何晶片或電極，隻需要将裝置放置在頭皮即可實作。
圖1所示 . 每一對都展示了一個由實驗對象觀看的視訊的架構效果
研究小組稱，這将使新的由腦信号控制的中風後康複裝置成為可能。為了開發由大腦控制的裝置以及認知障礙治療和中風後康複的方法，神經生物學家需要了解大腦如何編碼資訊。其中一個關鍵方面是研究人們在觀看視訊時感覺視覺資訊的大腦活動。
現有的從大腦信号中提取觀察到的圖像的解決方案要麼使用 功能性核磁共振成像，要麼分析 通過植入物 直接從神經元接收到的信号。這兩種方法在臨床實踐和日常生活中的應用都很有限。
MIPT 和 Neurobotics 開發的腦機接口依賴于人工神經網絡和腦電圖 (EEG)，這是一種通過非侵入性地放置在頭皮上的電極來記錄腦電波的技術。通過分析大腦活動，該系統可以重建實時腦電圖患者所看到的圖像。
研究人員表示：“我們正緻力于國家技術計劃的 Neuronet 輔助技術項目，該項目專注于腦機接口，使中風後患者能夠控制外骨骼手臂用于神經康複，或癱瘓患者駕駛電動輪椅等。最終的目标是提高健康個體神經控制的準确性。”
圖2. 腦機接口 (BCI) 系統的操作算法
在實驗的第一部分，神經生物學家要求健康的受試者觀看 20 分鐘的 10 秒 YouTube 視訊片段。該團隊随機選擇了 5 個視訊類别：抽象形狀、瀑布、人臉、移動機制和賽車運動。後一類包括雪地摩托、水上摩托、機車和賽車的第一人稱錄音。
通過分析腦電圖資料，研究人員發現，每一類視訊的腦電波模式是不同的。這使得研究小組能夠實時分析大腦對視訊的反應。
在實驗的第二階段，從原來的五個類别中随機選擇三個類别。研究人員開發了兩種神經網絡: 一種用于從“噪音”中産生随機分類特定的圖像，另一種用于從腦電圖中産生類似的“噪音”。然後，研究小組訓練這些網絡協同工作，将腦電圖信号轉換成與實驗對象所觀察到的圖像相似的真實圖像 (圖 2)。
插圖. 腦機接口
為了測試該系統對大腦活動的視覺化能力，研究人員向受試者展示了之前從未看過的同類視訊。當他們觀察時，腦電圖被記錄下來并輸入神經網絡。該系統通過了測試，生成了令人信服的圖像，可以在 90% 的案例中輕松分類 (圖 1)。
研究人員稱：“腦電圖是頭皮記錄的大腦信号的集合。我們過去認為通過腦電圖研究大腦過程就像通過分析蒸汽火車留下的煙霧來弄清楚蒸汽機的内部結構，但是沒想到它包含了足夠的資訊，甚至可以部分地重制一個人觀察到的圖像。”
另外，該項目的負責人也對馬斯克的方案進行過評述：“随着現代技術的發展，埃隆·馬斯克設想的侵入性神經界面面臨着複雜手術和自然過程造成的快速退化的挑戰——它們會氧化，幾個月内就會失效。我們希望最終能設計出更便宜的、不需要植入的神經接口。”
結 語
人類對于大腦的了解還遠遠不夠，腦機互動技術更是需要不斷地探索。雖然有不少企業與機構正在努力，但是“理想很豐滿，現實很骨感”，除了需要解決各項技術難題，腦機技術在倫理道德層面也面臨着種種挑戰。先不說能不能創造出“超級人類”或者治愈病患，能讓人腦與機器完美互動并發揮作用就已經很困難了，未來或許很美，但是首要任務還是先解決眼前的困難。
參考連結：
https://techxplore.com/news/2019-10-neural-network-reconstructs-human-thoughts.html原文釋出時間：2020-01-01
本文作者：陳思
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