脑机接口通往何处

本文转自：中国纪检监察报

脑机接口通往何处

访清华大学长聘教授高小榕

图为观众在2023中关村论坛展览（科博会）上体验脑机接口手功能康复训练与评估系统。图片来源：视觉中国 近日，特斯拉首席执行官埃隆·马斯克投资的脑机接口企业Neuralink宣布，已获得美国食品药品监督管理局批准，将开展首次人体临床试验。这被业内认为是脑机接口迈向商业化应用的重要里程碑。今年5月，全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功，该试验在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂，意味着我国脑机接口技术跻身国际领先行列。 什么是脑机接口？其技术发展有何意义？未来脑机接口可能有哪些应用场景，需要注意哪些问题？记者采访了长期从事脑机接口研究的清华大学长聘教授高小榕。 脑机接口简单说，就是一个可以从大脑里提取信号来控制外部设备的接口 问：什么是脑机接口？ 高小榕：从学术定义来讲，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是一个通过检测中枢神经系统活动并将其转化为人工输出来替代、恢复、增强、补充或改善中枢神经系统正常输出，由此改变中枢神经系统与内外环境之间持续交互作用的系统。简单说，就是一个可以从大脑里提取信号来控制外部设备的接口，是人机交互的一种。与传统的人机交互形式不同，脑机接口不需要手或语音等。因此，它潜在的用途包括可以帮助失去外周控制能力的失能人士表达自己想什么、要做什么。 大致上，脑机接口可以分为侵入式（有创）和非侵入式（无创）。所谓侵入式，就是把传感器的电极直接植入大脑里面；所谓非侵入式，就是把传感器的电极放在头皮外面，类似大家做心电图的感觉。此外，还有一种半侵入式，就是电极放置进头皮里或者颅骨里，但还没放入到大脑里。 中国和一些欧洲国家多以研究无创脑机接口为主，美国则以有创脑机接口居多。从理论上看，有创比无创的通讯速率要快一些，但是有创能放置的地方小，且技术门槛较高。无创脑机接口，如同在大脑周围通过设备接收卫星信号，接收面积更大，只要匹配得好，无创的通讯速率不输有创。二者最终的应用场景基本类似，无创方法的应用会略广一些。 问：为什么说这是一项硬核的新技术？ 高小榕：脑机接口的技术难度比较大。要知道，大脑至少拥有860亿个神经元，平均每个神经元又有大约1000个连接，由此形成一个巨大的网络结构，这是人拥有思想和意识的物质基础。如果是非侵入式脑机接口，在大脑外面放置几十个或几百个电极，一是没有直接接触脑组织，二是和神经元在数量级上相差甚远，要达到一定效果，难度可想而知。如果是侵入式脑机接口，则意味着要跨越三道关。一是物理关，怎么把一种很硬的材料——硅，放入人体最软的脑组织；二是化学关，怎么让二者在一起工作，不产生排异反应，避免对人体的伤害；三是信息关，怎么把脑神经的“想法”准确无误提取出来。所以说，脑机接口并不是传统技术的延长线，而是一项硬核的新技术。 2010年以来，基于人工智能技术的快速发展，脑机接口也进入到一个技术爆发的新阶段 问：脑机接口技术经历了怎样的发展历程？ 高小榕：脑机接口从科幻层面进入学术层面，始于1973年。50年前，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔在一篇论文里提出，放置在头皮上的电极可以检测到大脑发出的实时信号，并给出了脑机接口的科学概念与设想。 此后，经过15年的科学论证、15年的学术研究、20年的技术发展，在各国科学家的努力下，脑机接口的概念范畴不断延伸，例如与反馈/调控相结合的脑机交互（interaction），与人工智能相结合的脑机智能（intelligence）等。 1999年，首届国际脑机接口会议在几十个相近概念中确认“BCI”为特定专业词汇，确认了其科学定义和评价标准，影响深远。我和清华大学高上凯教授所在的团队作为国内首个脑机接口研究团队，参加了第二、三届国际脑机接口会议，并作学术报告。 可以说，2010年以前，相关研究一直依靠医学驱动力前行，致力于解决更多的医学问题。清华大学于1997年启动相关研究，开发了眼控鼠标等，帮助残障人士使用计算机。2010年以来，基于人工智能技术的快速发展，脑机接口也进入到一个技术爆发的新阶段，应用实验层出不穷。比如，2014年巴西世界杯开幕战上，截瘫青年诺·平托身披“机械战甲”开出第一脚球，通过“意念”控制重获“自由”，向世界展示了脑机接口的价值；2016年，在天宫二号和神舟十一号载人飞行中，天津大学明东团队与中国航天员中心合作完成人类首次太空脑—机交互实验，实现了静默的交流；2019年7月，Neuralink公司发布了一款可扩展的高带宽脑机接口系统。 近年来，以马斯克为代表的专业人士提出一个问题：未来我们身处一个多智能体社会，人类和人工智能这两大智能体，一个是碳基，一个是硅基，如何提高这两者间的交流速度？脑机接口技术提供了一种可能。目前可以看到这样一种趋势，人工智能对脑机接口的驱动力或将超过临床医学。 面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的新动能、新方向 问：脑机接口需要哪些技术支撑？该领域的技术发展有什么意义？ 高小榕：如果把脑机接口比作一幅拼图，前三块关键拼图依次是：脑信息采集、计算机科学及信号分析技术、神经科学。 脑电图之父、德国精神病学家汉斯·贝格尔在1924年首次记录到人类脑部的能量活动，命名为脑电波。1929年5月，决定脑电图重要性的首期出版物《人类脑电图的使用》问世，并发表于《精神病学档案》。正是基于这第一块拼图，1938年，美国神经学家赫伯特·贾斯珀在寄给汉斯·贝格尔的一张圣诞贺卡中，畅想了从脑电波中解码出语言的可能性，这被认为是对脑机接口的早期描绘。近百年后的今天，这样的畅想已经实现。2021年5月，美国斯坦福大学的研究人员通过植入电极采集大脑运动皮层的神经活动、使用递归神经网络算法解码出“手写”笔迹，将患者大脑中的意念快速转换为计算机屏幕上的文本。 再看第二块拼图。世界上第一台通用计算机“ENIAC”于1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生。在随后的数十年中，计算机科学不断进步，并为数字信号处理与人工智能的发展提供了基础。 第三块拼图是神经科学技术。德国教授埃伯哈德·埃里希·费兹于1969年利用操作性条件反射原理验证了灵长类动物运动皮质中单个神经元的活动能对控制模拟仪表指针产生条件反射，在概念形成之前就实现了最早的脑机接口实践。 在我看来，脑机接口是脑科学、神经工程、人工智能、信息技术交叉的前沿科技创新领域，可广泛带动科研、医疗、教育、工业、娱乐领域的发展。这是面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的新动能、新方向。随着人工智能的飞速发展，人机交互将会越来越重要，而脑机接口是人机交互、人与人工智能交互的终极形态。人应当如何与机器交互，人类智慧应当如何与人工智能交互结合，也将是脑机接口要解决的核心问题。 问：近年来，脑机接口受到各方关注。怎么看待该技术热度不减的现象？下一阶段的研究重点是什么？ 高小榕：我们接收信息进入了一个新的视觉化阶段，比如说近日苹果公司推出了混合现实（MR）眼镜，就是其中代表。从以电影、电视为代表的多人一屏，到以电脑、手机为代表的一人一屏，技术始终在向前发展。如今，屏幕分辨率已经到了一种需求上的“天花板”，也就是说，即使分辨率再提升，但人的肉眼已经分辨不出差别了。那么，接下来的发展方向很可能就是把屏幕做小，比如整合到眼镜上、成为元宇宙的入口之类，这些设备彼此之间还要相互连接，这就进入了多人多屏的阶段。 以眼镜为基础的屏幕，和我们习惯的鼠标、键盘等外接设备很难匹配，但是脑机接口可以完美适配。所以，这成了现在一个研究重点，即怎么把脑机接口变成一个新型的人机交互工具。具体而言，这就需要研究者开发出相应的电子系统，把脑机接口做得尽可能可靠、尽可能小；选取最安全的材料，让电极和人体接触良好；快速、准确地传输、提取高通量信息，等等。这都需要开展相应的临床实验研究。 脑机接口最早的应用场景很可能以医疗和助老为核心 问：未来脑机接口可能有哪些应用场景？ 高小榕：随着技术的发展，脑机接口最早的应用场景很可能是以医疗和助老为核心的。通过与临床结合，脑机接口可以帮助中风、渐冻症等患者尽可能自主行动、走向康复。2023年5月，瑞士洛桑联邦理工学院团队发表了一种脑—脊髓接口（BSI）的研究成果，通过植入记录和刺激系统，实现大脑和脊髓的数字化连接，甚至还能促进神经恢复，帮助瘫痪患者恢复行走能力。我国已经进入老龄社会，让老年人老有所养、生活幸福、健康长寿是我们的共同愿望。脑机接口技术未来在养老方面也大有可为，可以为老年人提供家务、日常照料等辅助功能。 此外，还有一大类应用场景可能在教育领域。比如怎么让学生减少疲劳感，怎么提高学习效率、更快接收信息等，脑机接口都能找到用武之地。 最后，就是与人工智能的交互场景。和芯片行业类似，脑机接口也有一个摩尔定律，即每10年速度提高4倍。未来10年，脑机接口的输入速度可能会超过手机触屏输入，到那时，用户打字或许就可以使用这项技术了。在高度智能化的未来社会，各种各样的机器人、可穿戴设备等都需要通过交互执行人类的指令，脑机接口在这方面大有可为。 至于场景落地，我想以可穿戴设备中的智能眼镜为例，这是脑机接口必须参与的一个场景。我们知道，元宇宙需要以智能眼镜为代表的硬件支持，而只有具备了脑机接口的属性，才能够交互得好。这就要求实现信息互联、价值连接、环境联通、心灵互通，也就是通过脑机接口让不同的用户快速实现信息、价值评判、环境、心理感受的共享。做不到这4点，没有好的交互，智能眼镜就只能停留在一个播放视频的简单设备层面。 据麦肯锡2020年发布的相关研究预测，未来10年到20年，脑机接口产业在全球范围内每年直接产生的经济规模可达700至2000亿美元。据硅谷Live的相关研究显示，脑机接口产业在医疗健康产业方面，主要应用包括脑机接口设备、大脑检测系统、多动症脑机接口反馈治疗等；在教育产业方面，可应用于学生记忆力训练以及学科培训等场景；在游戏产业方面，可通过虚拟结合方式实现思维控制设备及游戏角色；在智能家居产业方面，可与物联网等技术结合实现用意念控制家用电器等。 问：很多人关心，脑机接口真的能代替人类来思考吗？其中是否会涉及到一些医学伦理问题？ 高小榕：实际上，脑机接口它只是个接口，能把人的智能和机器智能进行快速交换，让两者工作得更好一些，“动动脑子”就能“指挥”，从而构建以人为中心的人机智能技术。它无法代替人的思考，这是肯定的。 脑机接口涉及到一些医学伦理问题。比如公平性问题，脑机接口能够增强人的能力。给患者增强能力无可厚非，但如果给部分正常人增强，没有使用脑机接口设备的人就会面临不公平的环境。再比如对机器设备的控制力问题。脑机接口一定不能失控，设想往大脑里植入了一个设备，可能在这个人睡着或不知道的时候，它依然还能工作，这和我们传统意义上在清醒状态时的操控很不同。这是一条重要的界限，在人不同意的情况下，不能让它进行操控。再比如，脑机接口是具备“读脑”特征的，这就涉及侵犯隐私的问题。 越来越多的人们意识到：如果我们不主动去构建以人为中心的智能社会，最后我们的智能社会很可能会失控。因此，我们必须始终握紧缰绳，人工智能才能够更健全地发展，决不能让它没有限制地自由狂奔。倘若我们人类构建了一个智能体，人类却置身事外，这是很危险的。