一種全新的交互方式：矽谷精英潛心鑽研「讀心術」

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來源 /矽谷封面企鵝號

審校 / 皎晗

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劃重點：

1. 上個月馬斯克宣布旗下腦機介面公司Neuralink獲得了突破性新進展，隨後Facebook也宣布能夠通過植入式電極直接讀取人腦中的單詞和短語。

2. 馬斯克麾下Neuralink公司開發出的可擴展高帶寬腦機介面系統已經成功進行了動物實驗，其最早將於明年開展臨床試驗。

3. Neuralink之外，美國創企Paradromics、Cyberdynamics以及Kernel都在開展植入式的腦機介面技術研究。

4. 相對於風險較高的侵入式腦機介面技術，Ctrl-labs以及Facebook等公司通過接觸皮膚等非侵入式方法進行腦機介面技術研究。

5. 大小科技公司對腦機介面技術興緻勃勃，但面前最大的障礙仍然無法逾越：人類對大腦活動依舊知之甚少。

（本文約4000字，閱讀全文大約需要5分鐘）

【編者按】上個月馬斯克宣布旗下腦機介面公司Neuralink獲得了突破性新進展，在動物身上進行的實驗已經獲得成功。隨後Facebook也宣布能夠通過植入式電極直接讀取人腦中的單詞和短語。除了這兩家公司之外，還有不少矽谷創企也在涉足這一領域。腦機介面領域存在的諸多困難和挑戰並沒有阻擋住大家的熱情。然而，人類對大腦活動知之甚少的現狀讓掘金這塊市場依舊顯得遙遙無期。

以下是文章正文：

上月中旬，埃隆?馬斯克(Elon Musk)宣布旗下腦機介面公司Neuralink取得了一系列新進展。這位矽谷明星創始人激動描述了一種「像縫紉機一樣」的機器人，可以將超纖細的線植入大腦深處。Neuralink公司聲稱，這種系統對大腦的損傷更小，最終將能夠讀寫大量信息。

圖示：Neuralink腦機介面效果圖

馬斯克說，Neuralink已經用縫紉機機器人對動物進行了至少19次手術，成功放置在動物大腦中的「線」電路使得動物能夠用大腦直接控制機器，系統成功率達到了87%。馬斯克表示，Neuralink研究團隊已經成功讓「一隻猴子通過大腦來控制電腦」。其同時還透露，Neuralink公司正在向美國食品和藥物管理局(FDA)提出申請，最早將於明年開始對人類進行臨床試驗。

圖示：Neuralink腦機介面系統中的縫紉機機器人

馬斯克指出，這些成果可以解決神經系統疾病，並最終被用於「實現一種與人工智慧的共生關係」。他還說，「我們可以做很多事情來應對大腦紊亂和損傷，但這個過程會非常緩慢。」「這將是一個緩慢的過程，我們將逐步增加要解決的問題，直到最終打造出一個完整的腦機介面。」

而在此之後不久的七月底，Facebook也公布了其腦機介面項目的最新研究成果。據發表在《Nature Communications》雜誌上的一篇論文顯示，加州大學舊金山分校和總部位於匹茲堡的Facebook Reality Labs研究人員基於非植入的可穿戴設備構建出一個「大腦—計算機系統」，能夠準確解碼測試者在大腦中構思的單詞和短語。

圖示：Facebook的「大腦—計算機系統」流程圖

實驗中，研究人員在幾名正在接受正癲癇治療的志願者大腦表面放置一塊電極，使用一種叫做皮層腦電圖（ECOG）的技術直接記錄大腦皮層的信號。在志願者回答測試問題的過程中，研究人員會通過信號跟蹤大腦負責語言和發音的區域，同時利用語音分析模型構建的機器學習演算法從採集信號中解碼特定語音。

但這種系統也需要在大腦中植入電極，是高度侵入性的。研究人員表示，這種系統只是對9個問題的24個標準答案進行了識別，系統的準確度為61%至76%。其效果還遠遠低於Facebook期望能夠達到的實時解碼速度。

但Facebook表示，這項研究有助於有語言障礙的殘疾人恢復溝通能力。

腦機介面技術與Neuralink

人類對於開發大腦功能總有著一種執念。考古學家發現，早在史前人類時期，有不少古人就會施以「環鋸術」，也就是在顱頂位置挖出來一個洞。考古學家推測，他們這麼做是為了「獲得某種神秘的力量」。

圖示：史前人類的「環鋸術」

上世紀的科幻小說中也有將設備插入大腦以實現人類和計算機之間快速通信的想法。威廉·吉布森(William Gibson)在1984年的科幻小說《神經漫遊者》(Neuromancer)中就提出了一個所謂microsoft的概念，即將一個較小的盒式磁帶通過插座直接與大腦相連，為人類提供新語言等即時知識。這就是所謂的腦機介面（BCI），在大腦和外部設備之間建立直接的連接通路，讓機器執行大腦信號所傳達的指令。

自上世紀90年代起，科學家一直在研究如何用意念操控物體。近年來，隨著人工智慧等各項技術的創新和發展，很多腦機介面研究項目也獲得了突破性進展。在2014年的巴西世界盃的開幕式上，年僅14歲的巴西高位截癱少年身披通過大腦控制的「機械戰甲」，開出了第一腳球，也讓腦機介面技術正式為大眾所熟知。

圖示：2014年巴西世界盃，巴西高位截癱少年身披通過大腦控制的「機械戰甲」開出第一腳球

成立於2017年的Neuralink公司主要研發的就是將設備植入人類大腦皮層的腦機介面技術。目前Neuralink已獲得1.58億美元的融資，其中至少有1億美元來自馬斯克。

Neuralink公司上個月所宣布的最新成果就是一種可擴展的高帶寬腦機介面系統，其由一個「縫紉機機器人」以及只有4至6微米粗細的柔性線路組成，整個腦機介面系統共有3072個電極，分布在大約100根柔性線路上。Neuralink聲稱，他們開發的原型系統能夠利用「縫紉機機器人」將柔性線路插入大腦組織，同時從許多神經元中提取信息。這些柔性線路上的電極會將檢測到的脈衝信號傳遞給位於顱骨表面的處理器。

圖示：Neuralink公司的可擴展高帶寬腦機介面系統

Neuralink還專門為此設計了一個「N1感測器」。這個直徑約8毫米、高4毫米的圓柱體集成了Neuralink定製晶元，能夠從多達1536個通道中讀取大腦信號。同時，「N1感測器」每秒可以從多達1024個電極上採集20000個解析度為10個位元組的樣本，相當於每個通道大約讀取200Mbps的神經數據。

圖示：Neuralink公司的N1感測器

在近期進行的演示活動中，該公司還展示了一個連接到實驗鼠身上的系統，可以從1500個電極讀取信息，它比目前嵌入人體的系統好15倍。

圖示：Neuralink公司的實驗小鼠

雖然Neuralink公司的神經元信號提取技術似乎是最先進的，但其信號解釋方面的進展似乎不大。馬斯克表示，他的目標之一是讓四肢癱瘓患者的打字速度達到每分鐘40個單詞。

專註於腦機介面研究的其他公司

像Neuralink一樣，總部位於奧斯汀的Paradromics成立已經有三年之久，其正在積極開發一種植入式腦部晶元，目標是讓患有失明、耳聾和癱瘓的患者與外界重新獲得溝通和聯繫的機會。這種晶元獲得了大額的種子資金支持，美國國防部領導的神經工程系統設計項目就為其提供了1800萬美元的資金。

該公司專有的神經輸入-輸出匯流排(NIOB)封裝了5萬根模塊化微絲，可以與多達100萬個神經元連接併產生刺激信號，記錄高達30Gbps的神經活動。目前這種產品正處於臨床前開發階段，預計2021年或2022年將進入人體試驗，為幫助中風患者重新學習說話打下基礎。

除了Paradromics之外，Kernel目前也正專註於開發一種植入式的神經晶元。該公司雄心勃勃地宣稱，未來它的技術會利用人工智慧「模仿、修復和改善」人類的認知。

而Cyberdynamics公司則與布朗大學神經科學系的研究人員合作開發了一種名為BrainGate的大腦植入系統，旨在幫助那些失去肢體或其他身體功能控制的人重獲新生。這種系統包括一個植入大腦的微電極陣列，其中有多達100個電極，可以感知神經元放電的電磁信號。此外還有一個連接到假肢或存儲設備的外部解碼設備。

2009年，Cyberdynamics開始以名為BrainGate2的項目進行臨床試驗。2012年5月，BrainGate研究人員在《自然》(Nature)雜誌上發表了一項研究，表明兩名幾年前因腦幹中風而癱瘓的人能夠控制機械手臂來抓取物體。

非侵入式腦機介面

Neuralink等公司的腦機介面技術都是一種侵入式技術，也就是說需要通過手術在大腦中植入晶元和電極。這種操作需要大量的醫學知識，

Neuralink的研究人員就表示，從短期來看，柔性線路必須在訓練有素的外科醫生指導下植入大腦的運動區域和軀體感覺區域。

這也意味著，這種系統在植入過程中需要開顱手術，也就存在腦部感染的風險。話說不是每個人都會為開拓大腦功能而冒這種生命風險的。

相對而言，非侵入式腦機介面技術的可接納度就要高很多。

紐約初創公司Ctrl-labs就正在採取一種略微不同的、侵入性較低的方法將神經脈衝轉換成數字信號。其開發平台Ctrl-kit利用差動肌電圖(EMG) 通過輕量級皮膚感測器測量並提取清晰的神經元信號，特別是其能夠提取由大腦到手部肌肉所傳遞神經脈衝引起的電位變化，從而將用戶的意念轉換為行動。Ctrl-kit平台可以通過16個電極監控由運動單元肌纖維放大的運動神經元信號，並通過人工智慧演算法區分每條神經的單個脈衝。

圖示：紐約初創公司Ctrl-labs的Ctrl-kit平台

這種系統獨立於肌肉運動，相應技術能夠檢測到神經科學家們所說的動作電位，這使得它比應用腦電圖(EEG)的可穿戴設備領先一步。而後者是一種通過頭皮觸點測量大腦電活動的技術。肌電圖設備能夠從更乾淨、更清晰的運動神經元信號中提取信號，因此只受到軟體機器學習模型的準確性和接觸皮膚的舒適度的限制。

2019年7月，卡內基梅隆大學與明尼蘇達大學合作取得了一項腦機介面領域的突破成果。研究人員利用無創神經成像技術和機器學習技術研發了一種新型腦機介面。實驗中，使用新型腦機介面的受試者以無創方式控制機械臂，使得機械臂能以平滑連續路徑跟蹤計算機屏幕上的游標。

Facebook也在研發非侵入式的腦機介面設備。2017年4月，Facebook旗下的前沿產品研發團隊Building 8宣布，未來將通過非侵入式的可穿戴設備讀取腦電圖，最終達到控制輸入目的。其負責人表示會開發出一個能以每分鐘100字的速度從人腦向外傳輸語句的「帽子」。

該公司曾在博文中解釋，神經元在活躍狀態下會消耗氧氣，因此如果能夠檢測大腦內氧水平的變化，人們也就可以間接測量大腦活動。「我們也可以使用類似紅外光的媒介，以一種非侵入性的安全方式來測量大腦中的血液氧含量。這類似於核磁共振成像中測量到的大腦信號，但使用的卻是由消費級零件製成的攜帶型可穿戴設備。」

圖示：Facebook的原型機

目前而言，相關的原型機體積龐大，速度緩慢，且不可靠。但 Facebook 仍然認為這種方案潛力很大。「雖然測量氧含量可能無法解碼想像的句子，但是哪怕僅僅識別出幾個簡單的命令，比如『主頁』、『選擇』和『刪除』，都將為我們提供一種全新的交互方式。」Facebook在文章中提到，這種方案的實現可能需要十年時間。

挑戰重重

高辨識度的腦機介面無疑相當複雜：它們必須能夠準確讀取神經活動，還要找出哪些神經元在執行哪些任務。從過往研究上看，硬體上的限制導致設備在接觸到大腦的多個區域會產生干擾性瘢痕組織。

當然，隨著更為精細的生物相容性電極出現，這種情況發生了改變。這種電極可以限制瘢痕組織的產生，可以精確地瞄準目標神經元，還可以使用像Ctrl-kit這樣的非侵入性外圍設備。但根本問題在於人們對大腦的大多數神經活動過程仍然缺乏了解。

比如在大腦的前額葉和海馬體等區域，很少有神經活動是孤立的。大多數神經活動發生在大腦的多個不同區域，因此很難確定其信號。由於研究人員尚未破解大腦的編碼，把神經脈衝轉換成機器可讀的信息方面也存在不少障礙。比如說來自視覺的神經脈衝和人們在說話時產生的神經脈衝完全不同，有時研究人員很難識別信號的起始點。

此外，Facebook們涉及腦機介面技術的舉動也引發了人們對隱私的進一步擔憂。「對我來說，大腦是一切自由的安全場所，」杜克大學(Duke University)神經倫理學專家妮塔·法拉哈尼(Nita Farahany)在接受採訪時表示。「在沒有任何保護措施的情況下，我們即將跨越隱私的最後邊界。」

然而，這些挑戰和問題並沒有阻止Facebook、Neuralink、Paradromics、Kernel、Ctrl-labs等公司競相追逐腦機介面市場。據Allied market Research預計，到2020年腦機介面市場的價值將達到14.6億美元。有一件事是肯定的：這些公司前面仍是漫漫上坡路。（皎晗）

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