我去年11月,简·谢尔曼(Jan Scheuermann)做了一件她从未想过会再做的事:她给自己喂了一块巧克力。在过去的十年里,54岁的谢尔曼一直被囚禁在自己的身体里。她患有一种神秘的退化性疾病,这种疾病侵袭神经系统,切断了大脑和肌肉之间的联系。谢尔曼现在四肢瘫痪,颈部以下没有活动。她不能移动四肢,更不用说抓、动或拿任何东西了。直到她连接到脑-计算机接口(BCI)。
BCI是一种技术,可以插入Scheuermann大脑中的神经元活动,对其进行解释,并将信号转换为特定的动作,移动一个她称之为“Hector”的机械臂来抓取物体并将其带到她身边,尽管这是她身体的一个功能部分。该领域的先驱者之一安德鲁·施瓦茨博士正在匹兹堡大学实验室进行临床试验,测试该系统
脑机接口有可能给行动不便的人增加独立性。未来,他们可能会恢复严重中风患者的语言能力,并为精神疾病和阿尔茨海默病提供根治性治疗。然而,BCI也可以用于侵犯个人自由的方式,如无误的测谎仪和机器人超级士兵。这两种技术都基于相同的科学突破,都让科学家离解码大脑更近了一步。但科学家们发现,大脑不会轻易泄露秘密。
E类自公元前4世纪第一位医生希波克拉底(Hippocrates)确定大脑为智力之所在以来,科学家一直在试图了解大脑的内部工作。应用神经学的第一步是在20世纪20年代,当时发现了一种测量电活动的工具,称为脑电图仪。发现如何追踪电脉冲使科学家能够在不钻孔的情况下窥视颅骨。20世纪80年代,磁共振成像(MRI)机的出现使实时测量和记录大脑活动成为可能,有效地开创了神经科学的黄金时代。如今,BCI的目标是更进一步,创造出便携且用户友好的神经设备。
BCI的创始人之一、布朗大学脑科学研究所所长约翰·多诺霍(John Donoghue)表示,“我们的目标是为需要大脑的人提供一条从大脑到外部世界的路线。”他开发了一种早期的BCI,名为BrainGate,施瓦茨的赫克托就是基于此。他还警告说,我们还远远没有建立与人类思维的直接接口。您当地的百思买很快将无法提供通情达理的机器人仆人。
这就需要有足够灵敏的技术来切断神经元(和神经元群)每秒交换的数十亿个电脉冲,并选出正确的脉冲。换句话说,它需要了解用户的意图,而BCI目前还无法做到这一点,正如Jan Scheuermann在一年半的假肢训练中发现的那样。
大脑不会轻易泄露秘密。
为了参加这项临床研究,谢尔曼首先进行了严格的筛选,然后进行了手术,在大脑皮层(她的大脑表面)植入了一对阵列,每个阵列有近100个微型电极。每个电极穿透她的大脑1/16英寸,可以读取单个神经元的放电——这是一项微型化检测的惊人壮举。电缆连接到阵列的连接点保持无菌,不用时用绷带保护。当Scheuermann连接到该系统时,一根细电线连接到一根粗电缆上,该电缆连接到一辆装有笔记本电脑的电子手推车上,然后连接到大型机械臂上。
手术后恢复几天内,谢尔曼(Scheuermann)的痛苦并没有削弱她的决心,她正在使用施瓦茨的机器,学习控制系统。在夏季和秋季的几个月中,她每天四个小时,每周三天,练习这个系统,试图控制它的动作。她把注意力从分心的事情中解放出来,集中在简单的动作上:“把胳膊向左移。”“把胳膊向右移。”进展平稳。几周后,她可以以七个自由度移动手臂,旋转手,抓住一个小东西并将其放在脸上。
在一次电话交谈中,她回忆起自己在BCI试验中的经历:“砰,砰,啪。这很管用。”。“这就像米粒脆饼。”
多诺霍说:“由于电极经过精细调整,可以从单个神经元中提取信号,我们可以在精细的水平上看到大脑在特定环境下的行为、思考方式,并将这些知识用于许多不同的应用,包括控制假肢。”
实际上,多诺霍解释说,BCI的行为必须像大脑一样。他们通过贝叶斯概率算法框架,从数十亿其他神经元发出的噪音中辨别出“向左移动手臂”的信号,该算法框架使用先验信念和趋势来推断不确定系统状态的结论。人类的思维很少绝对运作;“向左移动”的信号可能是分布在数千个神经元上的概率曲线。BCI使用此数据来计算所需操作并对其进行操作
您当地的百思买很快将无法提供通情达理的机器人仆人。
新的复杂程度不仅来自能够更精细地读取神经元噪音的机器;它还来自于大脑的神经可塑性——它能够根据外部经验和不断变化的环境条件进行改变,形成新的途径和组装新的集合。当机器对大脑作出反应,大脑控制机器时,脑机接口成为一种自适应混合体。在反馈回路中,机器学习识别所需的放电模式,即使大脑学习如何更有效地操作设备。即使当谢尔曼学会调整自己的想法以最大限度地控制系统时,BCI系统也在自我优化。
华盛顿大学计算机科学教授、BCI研究员Rajesh Rao解释说:“系统正在适应用户,反之亦然。”。“它不断改变与你合作的方式,这样它就可以改变自己从大脑到执行动作的映射。”
最终,科学家们发现,大脑无法区分它是在移动手指、倾斜机器人假肢还是在驾驶战舰。神经模式是一样的,大脑能够重新来源、实用、适应手头的工具,能够快速学习以吸收外部机械,就好像它是身体的延伸一样。
B类CI在精神上驱动另一个物体的能力也有可能成为侵犯个人自由的技术。这一点在八月底得到了证实,当时拉奥使用BCI控制一个人的手和另一个人的思想。拉奥戴着一顶布满电极和脑电图(EEG)阅读器的帽子,想象着自己在屏幕上的视频游戏中移动右手来发射武器。在校园里,他的同事右手拿着一个类似的阵列,通过互联网连接,移动着。
这只是一个指拨开关,但它预示着更多。Rao的实验在发表在同行评议的杂志上之前就被公开了,这引起了其他科学家的一些轻蔑,更不用说嘲笑。它还挖掘了BCI怀疑论者更深层次的恐惧:用心灵控制外部设备可能导致心灵的外部控制。毕竟,从阅读神经信号群到操纵它们并不是一个很大的飞跃。
在南加州大学,生物医学工程教授西奥多·伯杰(Theodore Berger)正在使用BCI来提高认知能力。伯杰的研究重点是大脑如何形成长期记忆,以及植入芯片如何模拟这种功能。去年,伯杰和他的团队表明,记忆障碍大鼠可以借助BCI恢复记忆,BCI可以“下载”先前记录的与特定记忆相关的神经放电模式,例如拉动正确的杠杆获得食物。基本上,伯杰给了这些动物一个人工海马体,为创造下载虚假记忆的技术奠定了基础。
人类的思维很少绝对运作;“向左移动”的信号可能是分布在数千个神经元上的概率曲线。
国防高级研究计划局(DARPA)正在测试一种类似的侵入性方法。认知技术威胁预警系统(Cognitive Technology Threat Warning System)将一名士兵放在一个大型视频显示器前,该士兵戴着与Rao用手指在华盛顿大学校园内移动时相同的头盖骨。当士兵盯着屏幕时,当她识别到地平线上可能指向潜在威胁的异常时,她的大脑会以特定的模式启动。BCI可以识别它,然后将其放大,供人类用户使用,将注意力集中在它上,并询问它是否值得进一步分析。
这项技术利用了大脑无与伦比的注意模式的能力和计算机开发模式的能力。不难想象下一个合乎逻辑的步骤:一种武器,作用于士兵的威胁检测反应,并针对任何感知到的威胁采取行动。
如果除了允许计算机对士兵的反应采取行动外,它还可以在放大和发展士兵反应时影响士兵的反应呢?这就是Rao和其他人正在进行的脑对脑通信实验的潜力。科学家们从解释信号到引入信号的转变,开始潜入浑浊的水域。研究已经表明,反社会者的大脑活动在早期是独特的;举例来说,是什么阻止我们操纵一个4岁孩子的神经元来阻止她可能在25岁时犯下的谋杀?如果我们可以用神经学来控制心理学,那么极限在哪里?
T型这些实验可能会让一些人相信,BCI将带来一个完整的思维模型,可以用于医学突破或反乌托邦精神控制。然而,让科学家们望而却步的是,所谓的“思想”与扬?谢尔曼(Jan Scheuermann)对赫克托(Hector)发出的“向前移动5英寸”的指示或DARPA的威胁预警系统(Threat Warning System)大不相同,后者寻找特定神经元群的放电
科学家表示,真正的大脑解码——即阅读实际想法的能力——需要一台能够再现人类情感、记忆和欲望的计算机。如何定义个人经历的无数转瞬即逝的想法并将其转录?要区分这种意图水平,就需要新的方法来解码大脑信号,这些信号是在大脑地理的更大范围内收集的。
“事情开始变得模糊:认知、学习、记忆,你无法很清楚地定义这些,”施瓦茨说道。“如果有人告诉我,把电极放在大脑里,然后想出一个主意,那么,在我知道是否找到它之前,你必须告诉我它是什么样子的。”
Donoghue说:“BCI需要对这些网络互动有更详细的了解,但中间有一个大洞,在中尺度上:为了推动脑科学的发展,我们需要在这个层面上解决问题,并形成一座桥梁,我们需要工具来实现。”。
例如,如何防止我们操纵一个4岁孩子的神经元,以防止她在25岁时可能犯下的谋杀?
剑桥大学行为与临床神经科学研究所的研究人员在2009年发表了一篇论文,主张用一种新的方式来看待大脑功能和认知。他们声称,大脑的结构是分形的,表现出近乎无限的复杂程度,每一个都复制了上下两个层次。这意味着不可能创建一个它如何工作的模型。
要真正解析导致《欢乐颂》组成的神经模式,需要许多神经回路在自组织系统中发挥作用,而这些回路可能不会发生在大脑的任何一个位置。它们可能分布在许多地区。恢复或再现这种密集的电脉冲相互作用仍然是我们最精细调节的神经成像系统所无法企及的。我们需要的是一种全新的思考大脑工作的方式。
4月份,奥巴马总统宣布了“通过推进创新神经技术进行大脑研究”(Brain)计划,该计划耗资1亿美元,旨在更全面地绘制大脑地图,这突显了这些挑战。在宣布新的资助时,奥巴马将脑倡议与人类基因组项目进行了比较:这是一个长期项目,旨在开拓医学和人类生物学的新前景。
科学界的一些人认为,大脑及其相关绘图工作不仅徒劳,而且被误导了。无论你如何密切地通过大脑的批判网络追踪电脉冲,你都无法“看到”孩子的脸是如何影响她的父亲的,也无法解开贝多芬后期作品背后情感、智力和记忆的纠结,也无法理解精神病患者的动机。
如果没有人类大脑的解码器,还没有人看过活生生的人脑并将其思想表达出来。脑机接口将为被困在不动的身体中的人带来不可估量的好处,为患有严重脊椎损伤或疾病的人提供言语和行动。这些成就足以证明滥用该技术所带来的任何风险都是合理的。但在探索大脑复杂的奥秘时,我们不仅仅是在扮演上帝;我们很可能正在毫无意义地寻找不可言喻的东西,寻找一种高科技的嵌合体。
理查德·马丁(Richard Martin)是超级燃料:钍,未来的绿色能源。他住在科罗拉多州的博尔德。
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