意念打字、心灵控制、大脑永生…这不是科幻大片,这是过去一年「脑机接口」领域的重磅突破!

08-19 20:45 首页 安在



近来,两个研究热点似乎描绘出了未来世界——技术是生命体,生命是一种机器。

 

前者的代表是走向神坛的人工智能,其基础神经网络研究就是模仿人类大脑的神经元,让机器使用神经元之间处理信息的模式来处理信息;后者的代表是脑机接口,用信号加工技术将原始的脑活动转化为数字命令,这样,大脑或许可以在脱离身体后得到永生

 

其实相比火爆到不行的人工智能、VR或是AR,脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术还是稍显冷门。毕竟一提起脑机接口,很多人还都是一脸懵逼。

 

但是,脑机接口领域最近能引起大家的广泛关注,还需要感谢钢铁侠”Elon Musk!他在今年3月宣布创立脑机接口公司Neuralink,致力于用侵入式的方式获取大脑信息。

 


业界普遍认为,Musk之所以有这样的动作,在于他对于人工智能(AI)的悲观论,他认为AI一定会在未来某一天威胁人类。所以Elon Musk强调了人机共生的重要性,他说道:“人类需要与机器相融合,成为半机械人,这样才能避免在人工智能(AI)时代被淘汰。”


人工智能 VS 人类智能


人工智能对人类的冲击使得各种舆论层出不穷,而“人机合一”的口号其实并非Elon Musk率先提出。早在上世纪90年代,凯文·凯利就喊出了人机合一的口号。然而经过数十年的发展,我们看到机器越来越人性化,甚至在某些领域要远远超过人类。而在另一方面,人类的能力却鲜有进化和提升。难道人类注定要被人工智能狠狠地抛在身后吗,剥夺尊严成为人工智能的伺服机器吗?

 

对此,人工智能公司Kernel的创始人 Bryan Johnson认为,是时候将关注的重点放在人类自身。他认为人工智能只是一个过渡阶段,充分融合人工智能的人类智能(Human Intelligence,HI)才是智能的更高级形态。通过“脑机接口、神经义肢技术(neuroprosthetics)的方法以增强人类智能HI,将避免人类彻底被人工智能抛弃的命运。

 

什么是“脑机接口”?


“脑机接口”(Brain-Computer Interface,简称BCI)是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间创建的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下,计算机或者接受脑传来的命令,或者发送信号到脑(例如视频重建),但不能同时发送和接收信号。

 

而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。在该定义中: 

“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统,而并非仅仅是“mind”(抽象的心智);

“机”意指任何处理或计算的设备,其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅;

“接口” = “用于信息交换的中介物”;

“脑机接口”的定义=“脑”+“机”+“接口”;

脑机接口是一门多学科交叉的领域,核心的学科涉及认知科学、神经工程、神经科学等。

 


脑机接口实现步骤分析


脑机接口基本的实现步骤可以分为四步:采集信号>信息解码处理>再编码>反馈。


 

1. 信息采集

 

脑机接口的划分形式一般也是看信息采集方式为主的,通常被分为侵入式、半侵入式、非侵入式(下文创业公司类型中有所涉及)。

 

侵入式:此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,因而所获取的神经信号质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织(疤),进而导致信号质量的衰退甚至消失。侵入式获取的信号是直接的神经信号。

 

部分侵入式:接口一般植入到颅腔内,但是位于灰质外,其空间分辨率不如侵入式脑机接口,但是优于非侵入式。其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小,主要基于皮层脑电图(ECoG)进行信息分析。

 

非侵入式:不进入大脑,像帽子一样方便佩戴于人体,但由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高,很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。

 

典型的系统有脑电图(EGG),脑电图是有潜力的非侵入式脑机接口的主要信息分析技术之一,这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。



但是,脑电图技术的一个问题是它对噪声的敏感;另一个使用EEG作为脑机接口的现实障碍是用户在工作之前要进行大量的训练。


2.信息分析

 

收集好了足够多的信息后,就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多,如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。


分析模型是信息解码环节的关键,根据采集方式的不同,一般会有脑电图(EGG),皮层脑电图(ECoG)等模型可以协助分析。

 

信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、P300信号分析、小波分析+奇异值分解等。

 

3.再编码

 

将分析后的信息进行编码,如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡,就需要编码成机械臂的运动信号,在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。

 

但编码形式也可以多种多样,这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上,比如小白鼠身上,控制它的行为方式。

 

4.反馈

 

获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈,感知包括视觉、触觉、听觉。

 

脑机接口实现这一步其实是非常复杂的,包括多模态感知的混合解析也是难点,因为反馈给大脑的过程可能不兼容。

 

脑机接口”大事记


1924年,德国精神病学家Hans Berger发现了EEG(脑电图)。


1969年,华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究。


1990年代,Nicolelis完成对老鼠运动脑电波的初步研究后,在夜猴(Aotus trivirgatus)内实现了能够提取皮层运动神经元的信号来控制机器人手臂的实验。

 

1999年,哈佛大学的Garrett Stanley试图解码猫的丘脑外侧膝状体内的神经元放电信息来重建视觉图像。 


2000年后,Donoghue小组实现恒河猴对计算机屏幕上的光标的运动控制来追踪视觉目标,其中猴子不需要运动肢体。


2009美国南加州大学的Theodore Berger小组研制出能够模拟海马体功能的神经芯片。该小组的这种神经芯片植入大鼠脑内,使其称为第一种高级脑功能假体。 


2014年巴西世界杯——机器战甲,身着机器战甲的截肢残疾者,凭借脑机接口和机械外骨骼开出了一球。


 

2014年,华盛顿大学的研究员通过网络传输脑电信号实现直接“脑对脑”交流。


2016年8月,8名瘫痪多年的脊髓损伤患者,通过不断训练,借用脑机接口控制仿生外骨骼,利用VR技术解决触觉的反馈问题,他们的下肢的肌肉功能和感知功能得到部分恢复。


2016年9月,斯坦福大学神经修复植入体实验室的研究者们往两只猴子大脑内植入了脑机接口,通过训练,其中一只猴子创造了新的大脑控制打字的记录——1分钟内打出了12个单词,即莎士比亚的经典台词“To be or not to be.That is the question”。

 


2016年10月,世界第一届Cybathlon半机械人运动会在瑞士苏黎世正式拉开帷幕,来自21个国家、一共50支队伍的残疾人运动员在辅助设备的帮助下参加比赛。赛事共分为6个比赛项目:动力假肢竞赛(上肢和下肢)、外骨骼驱动竞赛、功能性电刺激自行车赛、轮椅竞赛、脑机交互竞赛。

 


2016年10月13日,瘫痪男子Nathan Copeland利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马“握手”,此举意味着完全瘫痪病人首次恢复了知觉。

 


2016年11月,荷兰一名肌萎缩侧索硬化(ALS)的闭锁综合征女患者de Bruijne将脑机接口技术从实验室带入了家庭环境中,无需医疗人员协助也能与他人进行思想交流。脑机接口植入28周后,de Bruijne已经能够准确和独立地控制一个计算机打字程序,差不多一分钟可以打出 2 个字母,准确率达到95%。

 


2016年12月,美国明尼苏达大学的Bin He与他的团队取得一项重大突破,让普通人在没有植入大脑电极的情况下,只凭借“意念”,在复杂的三维空间内实现物体控制,包括操纵机器臂抓取、放置物体和控制飞行器飞行。经过训练,试验者利用意识抓取物体的成功率在80%以上,把物体放回货架上的成功率超过70%。该研究成果有望帮助上百万的残疾人和神经性疾病患者。

 

2017年2月,斯坦福大学电气工程教授KrishnaShenoy和神经外科教授JaimieHenderson发表论文宣布他们成功让三名受试瘫痪者通过简单的想象精准地控制电脑屏幕的光标,这三名瘫痪患者成功通过想象在电脑屏幕上输入了他们想说的话,其中一名患者可以在1分钟之内平均输入39个字母。


2017年4月,Facebook在F8大会上宣布了“意念打字”的项目,希望未来能通过脑电波每分钟打100个字,比手动打字快5倍。专业人士称,Facebook的“意念打字”是扫描大脑海马体里语言这块的信息,记录说话之前和说话过程中细胞里的变化。从透露的信息获知,他们尝试通过血液的温度信息来做判断。

 


脑机接口商业化方向


脑机接口未来的主要应用领域将涵盖医疗、游戏娱乐、消费电子、商业分析、军事国防等各个行业:

 

?医疗:主要包括帮助患者与外界交流或控制外部设备的辅助脑机接口,以及帮助患者恢复神经功能的康复脑机接口;

 

?游戏娱乐:例如在头戴式VR设备上安装脑机接口,与传感器的输入一起为用户提供更好的游戏体验;

 

?消费电子:机器人、无人机、VR等消费电子产品可将脑机接口、特别是非侵入式脑机接口作为新的人机交互界面。例如,佛罗里达大学于今年4月就举办了利用脑机接口控制的无人机比赛,16位提前进行训练的无人机操作员利用脑电信号控制无人机进行了室内飞行比赛。

 

?商业分析:可以帮助营销人员获取消费者大脑的定量信号,从而更好的了解客户需求;

 

?军事国防:利用脑机接口实现大脑控制的机器人或无人机侦查、重型武器控制、军人之间的无声脑电交流等;

 

而根据Allied Market Research的预测,脑机接口市场将在2020年达到14.6亿美元,届时,医疗和消费电子将是脑机接口的2大主要应用方向。

 

Top 10 最受欢迎的脑机接口企业


尽管脑机接口技术仍处于早期,但从事消费级脑机接口应用的初创企业正在增多,下面为大家介绍Top 10最受欢迎的脑机接口企业,看看入围的有哪些?

 

1. Emotiv

 

创建时间:2011年;

总部:美国旧金山;

技术路线:非侵入式;

融资记录:2015年获得迪士尼旗下创业加速器的种子投资1820美元;

 

Emotiv早在2007年就推出了一款简化的科研医用级的标准EEG检测设备EPOC,并于此后进行了产品的更新,推出了EPOC+。该产品拥有多达14个检测电极和2个参考电极,售价仅为799美元。Emotiv还向第三方开发者提拱了SDK。在第三方应用的配合下,用户可以用脑电波发出指令,控制其他设备。

 

2015年,Emotiv推出了更加亲民化的产品Emotiv Insight,使用了5个检测传感器和2个参考电极,售价仅为299美元。该产品可以检测到注意、集中、参与、兴趣、激动、亲密、放松以及压力8种行为现象,识别眨眼、皱眉、吃惊、微笑以及咬牙等表情,而且残障人士可用它来控制轮椅、驾驶汽车、创作音乐、控制飞行器、游戏等。

 

2. BrainCo

 

创建时间:2014年;

总部:美国波士顿;

技术路线:非侵入式;

融资记录:2016年12月获得了550万美元的Pre-A轮风险投资;

 

BrainCo公司由哈佛大学脑科学中心科学家和MIT工程师联合组成。其研发的可穿戴产品将涉及学生注意力培训、睡眠管理、智能家居控制、脑交流技术、脑疾病、神经疾病早期预防、疼痛测量等领域。

 

公司在今年CES上推出了名为LucyFocus 1的两个非侵入式产品系列。Lucy可用来控制智能玩具、无人机、智能家居产品等。而主打教育市场的Focus 1则分为Focus EDUFocus Family两个版本,Focus EDU用于在课堂上便于老师实时监控学生的注意力程度,以便调整教学方式,Focus Family则在家庭内使用,并配有名为Focus Oasis的手机App,在查看实施监控数据的同时,也提供可提高注意力的小游戏。

 

3. NeuroSky

 

创建时间:2004年;

总部:美国圣何塞;

技术路线:非侵入式;

融资记录:2013年获得2790万美元融资;

 

NeuroSky目前的主打产品为MindWave,仅拥有夹在耳垂的参考电极和额头的检测电极,售价不足100美元。除产品本身外,该公司还推出了NeuroSky App Store以及NeuroSky Research Tools,前者包括了与第三方开发者共同开发的超过100MindWave相关应用;后者包括NeuroView NeuroSky Lab两款应用(售价499美元),旨在帮助理解脑电信号的行为。

 

此外,该公司也生产芯片提供给其它脑机接口公司使用,包括可直接用于可穿戴设备的全球最小ECG(心电图)芯片BMD 101和可用于监测睡眠、VR等领域的EEG模块TGAM

 

4. Kernel

 

总部:美国波士顿/洛杉矶;

技术路线:侵入式神经结网;

融资记录:2016年10月,Kernel 获得了一轮 1 亿美元的融资

 

该公司主要研究方向是通过植入可诊断的大脑假体,以帮助那些有记忆问题的人们。简单来说,在未来,医生会给上述病患的大脑里植入Kernel研发的微型装置,而这个植入的装置的电极会通过发电来刺激某些神经元来帮助大脑工作,比如把输入大脑的外界信息转化为长期记忆。

 

5. MindMaze

 

创建时间:2012年;

总部:瑞士洛桑;

技术路线:非侵入式;

融资记录:已完成两轮融资,总金额为1.085亿美元;

 

MindMaze是一家强大的神经科学公司,专注于将虚拟现实和运动捕捉跟大脑机器界面结合,帮助病人从创伤中恢复。这家成立仅四年多的公司的技术已经在欧洲获得监管机构批准。风险投资研究公司PitchBook认为MindMaze是虚拟现实领域中最好的三所公司之一。

 

MindMaze目前正在构建一个结合VR、脑成像、计算机图形学和神经科学的平台。通过一个集成到可穿戴式头显和3D动捕相机的用户界面,为神经系统疾病患者创造VR和AR环境。他们旨在为患有脑损伤的患者提供多感觉反馈,以在康复期间刺激运动功能。这是第一个通过意念驱动的VR/AR和动捕游戏系统。你就如同置身于一个模拟,通过自己的意念来操纵结果。

 

6. InteraXon

 

创建时间:2007年;

总部:加拿大多伦多;

技术路线:非侵入式;

融资记录:2015年完成1000万美元B轮融资;

 

InteraXon是Muse脑控耳机的开发团队,Muse是一款舒适、轻便而且拥有4个脑电波传感器的可穿戴设备,它借助接触前额的传感器来读取人脑神经元之间交流的脑电波,解码脑电波之后可以用来控制应用程序、游戏,舒缓压力,提高记忆力和注意力,最终可以让佩戴者用意念来控制自动化设备。

 

7. NeuraLink

 

创建时间:2017年;

总部:美国旧金山;

技术路线:侵入式;

 

2017年3月,SpaceX及特斯拉创始人“钢铁侠”埃隆·马斯克(Elon Musk)成立了这家名为Neuralink的新公司,旨在探究他所说的“神经花边neural lace)技术。

 

Musk表示,在未来大约四年内,Neuralink希望能够销售一款设备,帮助治疗严重脑疾病,例如中风、癌症病变、瘫痪、记忆问题。

 

8. BrainGate

 

总部:美国罗德岛;

技术路线:侵入式;

 

BrainGate是一家专注于大脑植入技术的公司。他们将传感器植入瘫痪病人脑中,监测他们的脑活动,并将用户的意识转换为电脑指令。

 

9. g.tec

 

创建时间:1999年;

总部:奥地利;

技术路线:非侵入式;

融资记录:未知;

 

g.tec是一家产、学、研一体式发展的企业,负责制造生产g.HIamp 等各类脑机接口设备多年,具有专业的高科技便携式用于多模式生物电信号采集研究的生理信号处理平台,涵盖领域包括电子工程、工业设计、人工智能及机器人研究、计算机科学、虚拟现实研究、生物医学工程、通信工程等领域

 

g.tec在1999年就开发了第一个商用BCI系统,该系统在全球超过60个国家发售。g.tec产品能够应用于所有的BCI领域(运动图像,P300,稳态视觉诱发电位和皮层慢电位),在几个小时内就可以开始您的脑机接口研究。

 

10. BrainMaster

 

总部:美国贝德福德;

技术路线:非侵入式;

融资记录:未知;

 

BrainMaster致力于开发临床级的设备和软件,用于EEG和生物反馈的临床或研究用途,提供神经反馈装置和系统,为EEG评估提供高质量解决方案。


脑机接口的中国势力


据了解,我国的脑机接口研究起步虽然较晚,但也取得了一批成果:

 

2010年我国国家自然科学基金委员会“视听觉信息的认知计算”重大研究计划就资助了“首届中国脑机接口比赛”。


2012年,浙江大学的科学家就宣布他们运用信息和通讯技术成功提取并破译了猴子大脑发出的抓、勾、握、捏四种手部动作的神经信号。

 

 

2016年,“脑科学和类脑研究”——中国脑计划被列入“十三五”规划纲要中的国家重大科技创新和工程项目。中科院还于今年初成立包含20个院所80个精英实验室的脑科学和智能技术卓越创新中心。目前来看,脑科学研究应用主要集中在两个领域:一是脑疾病的诊断和治疗;另一大应用方向就是“类脑智能”,也就是时下资本圈很热的人工智能。目标是在未来15年内,在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能器件三个前沿领域取得国际领先的成果。经粗略估算,我国对该领域的主要经费投入,从2010年的每年约3.48亿,增长到2013年的每年近5亿元人民币。

 

而说到成功获得融资的突出企业,中国也有这么一家——就是位于深圳的云睿智能EEGSmart,这家公司也曾经在去年拿到了深圳前海投资的千万元级别的融资,具体数额没有透露。该公司的研究方向是“通过采集、分析大脑的实时脑电波用于大脑与外部实现意念交互”,就在去年,公司还推出了一款脑外的脑机接口产品,能够通过检测脑波判断人的情绪状态,给用途对应推送符合相应情绪的音乐,或者基于脑电波生成一幅抽象画等等,使用者还能够可以观察到自己的脑波状态,如专注度、冥想度、兴奋度等。

 

脑机接口未来展望


在科学家的心中,理想状态下的脑机交互需要的是一种共同适应的双向脑机接口,即电子元件和大脑共同学习,并在学习过程中同大脑不断进行交流反馈。

 

理想很丰满,但现实却很骨感。目前最复杂的双向脑机接口,也仅仅能做到记录并刺激神经系统,较少涉及如记忆、思维、想象等高级认知活动。

 

而且除了技术上的挑战外,脑机接口技术的发展也引发着争议。德国鲁尔大学哲学研究所终身教授汉斯·马丁塞斯就曾提出伦理方面的质疑:追求完美固然是人类的美好愿望,但通过技术去改变一个人是否是合理的?增强到什么程度是合适的?尤其当人类对大脑的结构功能、情感和道德之间的关系尚缺乏准确的科学理解的情况下。

 

此外也有学者担忧,通过脑机接口最后完成的操作,不是脑部思维的神经活动直接作用运动神经的结果,而是经过算法的转换引发的动作,如果有负面后果,引起责任应该归谁。

 

尽管面临许多问题,科学家对脑机接口技术的未来仍感到乐观。专家普遍认为,突破人脑与机器壁垒的大门正在缓缓开启,前路漫漫,但充满希望。

 

最后用《科学美国人》上的一句话来结尾:我们所想象的一切,都将变为现实。

参考资料:

《量子信息和类脑智能纳入“十三五”国家基础研究规划》,中科院微电子研究所,2017年6月;

《中美首份8000字长文解析,脑机接口有多牛》,硅谷Live(服务号guigumitanv);

《Brain Computer Interfaces – 10 Startups to Watch》,Nanalyze,2017年2月;

《Brain Computer Interface: The End of Keyboards & Mice?》,Nanalyze,2017年1月;

《How Brain-computer Interfaces Work》,Ed Grabianowski;


撰稿:米洛   编辑:唐学菲




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