川观新闻:科创未来 | 这个实验室,探索的是“纳美人”的秘密

文:高杲 / 来源:社会媒体   2021/5/18

  实验室名片

  四川省脑科学与类脑智能研究院2018年在电子科技大学成立,是国内“脑与信息”交叉领域唯一成建制的研究基地。

  该研究院定位于国家战略性重大需求,构建“脑机制、算法、仪器/芯片到系统”的创新体系,突破脑智科学、类脑智能等“卡脖子”技术,努力引领国家与地方脑智产业发展。

  “用意念和能量,能使熟鸡蛋返生孵出小鸡”,最近,荒唐的“熟蛋返生说”成为网络热点,也引发大家对“意念控物”的思考。

  那么,严谨的科学家如何看待“意念控物”呢?

  在“大胆猜想,小心求证”的道路上,“意念控物”是脑科学家们研究的一大方向,被称为“脑机接口”技术。5月12日,《Nature》发布最新一期封面研究:斯坦福大学研究人员开发了一项新的“脑机接口”技术,能使瘫痪患者直接将脑海里的“想法”转换为电脑屏幕上的手写文字。

  “意念控物”有哪些畅想?它的科学原理是什么?又面临哪些技术瓶颈?近日,记者走进电子科技大学的省脑科学与类脑智能研究院,一探“脑机接口”的秘密。

  何谓“意念控物”?

  从大脑提取信号,翻译成指令来控制外部设备的过程

  在电影《阿凡达》中,每个纳美人都有一个“接口”,它使得纳美人能够用意念与各个物种直接进行交流,纳美人“即插即用的万能接口”在现实社会中其实已有了概念及雏形,它就是“脑机接口”。在现实生活中,它不仅能实现精神交流,还能“意念控物”。

  省脑科学与类脑智能研究院工作人员刘博向记者做了“意念控物”的演示:戴上一顶特制的帽子,在无人机上安置一枚接收器,测试人员只需观看电脑的提示画面,不需做任何动作,就可以控制无人机飞行。

  准确率如何?“如果只是上下左右的飞行,准确率可以达到90%以上;如果进行平滑连续性操作,准确率超过80%。”从刘博反馈的过往数据看,“意念控物”的效果似乎不错。

  应用的广度又如何?“除了无人机,机械臂和游戏也可以通过意念来控制。”刘博透露,目前已经测试了多款游戏,应用比较多的是一款跑酷游戏,因为它能更好测试大脑的反应速度。

  过去几年,“意念控物”的案例并不鲜见,其中最被人所熟知的是硅谷“钢铁侠”埃隆·马斯克及其创立的Neuralink公司。去年,马斯克将一枚硬币大小的芯片植入一只小猪的大脑,让它通过嗅觉识别物体,每当它“吸鼻子”的时候,脑里发出的神经信号就会被采集到,工作人员就可以预测它的运动步态。

  马斯克表示,未来“脑机接口”技术将可以让你使用想象来召唤自己的座驾,也可以用意识来玩虚拟游戏。而在今年2月,他还发布了一段猕猴玩“意念乒乓球”游戏的视频,这些工作在一定程度上代表了“意念控物”的最新进展。

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四川省脑科学与类脑智能研究院研究人员在进行神经电生理研究。

(四川省脑科学与类脑智能研究院供图)

  “科学原理都是相似的。”省脑科学与类脑智能研究院院长尧德中表示,所谓“意念控物”,简单理解就是,从大脑直接提取信号,翻译成指令来控制外部设备的过程,而通过“脑机接口”实现“意念控物”大致分为4个步骤:采集脑电信号-信号预处理-解码信号-指令传输。

  再进一步有多难?

  获取大脑信号的技术难,解码信号也很难

  既然有了科学路径,实现更为复杂的“意念控物”是否可期?尧德中坦言,距离高效稳健的“意念控物”还有漫长的路要走,而其中一个难点就是:信号的获取和解码。

  首先是获取信号的技术难。为了更好地获取信号,业内已形成了不同的技术路径,比如可以根据是否有侵入性而把“脑机接口”分为三类:非侵入式、半侵入式、侵入式。非侵入式基于大脑头表的信号;半侵入式则将记录电极置于硬脑膜外或硬脑膜下;侵入式则直接将电极植入大脑皮层内。简单理解就是,非侵入式不需要“开脑洞”,而半侵入式和侵入式需要“开脑洞”。

  “侵入式‘脑机接口’更靠近大脑皮层内的神经元,可以采集到更具体精准的信号,但安全性有待进一步研究。”尧德中表示,研究设计侵入式“脑机接口”需要扎实的医学专业知识,同时也对设备提出了更高要求。也由于这个原因,非侵入式“脑机接口”一直是业内最常用的方案,它更容易为普通人所接受。但大脑表面的信号干扰多,对信号处理又是一大挑战。

  其次是需要解码的对象难。“脑机接口”所面对的是一个无比复杂而精密的系统:大脑既是传递、储存和加工各种信息的平台,又是思维的器官。它不仅能调控我们的行为,同时还能主导我们的心理过程和意识产生,要解开它的秘密谈何容易。另外,负责这些工作的脑细胞不仅数量多,种类也繁多。“以目前的技术,还无法做到单个神经元水平的解析。”尧德中提到,业内目前主要还是针对脑区进行研究,从而决定了解码结果的“模糊性”。

  此外,人们对脑信号的认知还处于初步阶段。“目前我们对大脑的运作流程还处于知其然,而不知其所以然的阶段。”尧德中表示,如果没有找到大脑的语法规则,哪怕能采集到足够精细的脑区信号、做出解析,也无法真正理解大脑的运作方式。

  为了更好、更快地推进人类对大脑的认识,近年国际上兴起了基于云脑信息平台的全球合作研究范式,“因为云平台能够把数据、工具和算力有效整合起来,为此,省脑科学与类脑智能研究院也推出了自己的国际化云平台WeBrain。”尧德中介绍。

  掌握技术后能应用于哪些场景?

  治疗疾病,挖掘大脑潜能,甚至实现数字永生

  除了“意念控物”,“脑机接口”还能应用在哪些场景?

  在实验室内,尧德中向记者描绘了这样一个场景:某位罹患脑部或神经疾病的患者在需要治疗时,尤其在吃药或者手术均无法治愈时,脑控游戏等干预方案可能会发挥作用。

  为了让记者更好地理解这个畅想,他做了演示:通过对比被测试者的脑电波形和标准化的波形,从而获知脑部疾病的原因和程度。一旁的仪器根据诊断结果,生成包括脑控游戏在内的各种应对方案来对大脑进行干预,进而产生治疗效果。

  “用物理治疗方式弥补药物、化学治疗无效的空缺。”但尧德中也提到,这样做有个前提——需要充分掌握脑部疾病的致病机制和机理。目前,类似的探索在国际上也有很多,比如美国FDA在去年就批准了一款干预儿童多动症的游戏治疗方案。

  除了恢复大脑健康外,“脑机接口”技术还可用于了解大脑的潜能。尧德中表示,国外一些机构甚至运用它来选拔人才。

  在实验室内有一个“游戏王国”,摆放了各种你能想到的游戏机:有玩体感游戏的XBOX、网络游戏的PC机、VR游戏的PS机,也有模拟飞行的游戏机等。尧德中表示,当被测试人员在进行游戏操控时,设备可同步记录下他的脑电信号,从而了解其工作效率与其神经信息之间的关系,如果能建立起稳健的关系,就可以对其岗位适应性作出初步的判断。

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四川省脑科学与类脑智能研究院研究人员在进行游戏训练。

(四川省脑科学与类脑智能研究院供图)

  在研究院内,记者还看到了数字孪生大脑,这是一款模拟大脑基本功能的软件,也被视为数字永生的雏形。数字永生是一个假想概念,它可以将人的个性(性格)存储(或转移)到更耐用的媒体(即如计算机)中,并允许其在未来与人们进行交流。它像是一个虚拟角色,能够进行反应和思考,这一切都基于此人在数字档案里的记录。个体去世后,这个虚拟形象可以保持不变或继续自主学习和发展。

  我们真的可以通过这款软件实现数字永生吗?尧德中给了一个模糊的答案:“是,也不是。”说它是,是因为它可以再现部分大脑的功能,如识别、运动、对话等;说它不是,是因为真实大脑拥有近千亿个神经元,而现有的数字模型仅有几百个单元,因此,“现在谈数字永生还太早,这个软件目前的功用主要还是辅助人们对大脑的认识。”

  数字孪生大脑刚刚起步,其孕育的潜能却是巨大的——通过模仿人类神经系统的工作原理,成为一定意义上的通用智能系统,让人工智能更像人一样去思考和做决策。

  【链接】

  “脑科学”已成大国“必争之地”

  脑科学是智能时代的压舱石,也是科技自立自强的必争之地。近年来,各国陆续启动抢占“大脑制高点”的科技行动,比如早在2013年,美国时任总统奥巴马就宣布启动了“创新性神经技术大脑研究”的美国脑计划。而几乎同时,欧盟推出了由15个欧洲国家参与、预期10年的“人类脑计划”。2014年,日本也启动了自己的脑计划。

  而在中国,“中国脑计划”“脑科学与类脑研究”已被列入国家“十四五”规划。此前北京天坛医院院长王拥军还曾向媒体透露,其投入规模将达到540亿元,由此可见,中国也即将迎来脑科学的春天,“脑机接口”无疑也将迎来新的更大发展。

  报道链接:https://cbgc.scol.com.cn/news/1340799?from=iosapp&app_id=cbgc

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