不知道你有沒有看過電影《潛水鐘與蝴蝶》 ,這是根據(jù)真實故事改編而成的。影片主人公鮑比因為突如其來的中風造成全身肌肉癱瘓,無法動彈,眨動左眼是他唯一與外界交流的方式。身體不能動,但是他的大腦和思維卻是完全正常的。鮑比最后靠眨眼睛“寫”出了一本回憶錄 。 對于癱瘓病人來說,如何與外界交流的確是一件難事,也許未來腦機接口技術(shù)會幫助鮑比這樣的病人,讓他們不再生活在密閉的“潛水鐘”里,通過腦電波或者神經(jīng)活動與外界交流,讓思想可以像“蝴蝶”一樣自由飛翔。 近日,國外媒體報道了全球首例成功的人類腦機接口實驗。借著這個機會,大家可以和雷鋒網(wǎng)一起看看這項神奇的技術(shù)是如何把科幻電影《阿凡達》中用意念操控物體變?yōu)楝F(xiàn)實的。 ● ● ● 腦機接口是什么 人類在進行各項生理活動時都會向外發(fā)送電信號。如果用科學儀器測量大腦的電位活動,那么在熒幕上就會顯示出波浪一樣的圖形,這就是“腦波”。 腦波活動具有一定的規(guī)律性特征,和大腦的意識存在某種程度的對應(yīng)關(guān)系。人在興奮、緊張、昏迷等不同狀態(tài)之下,腦電波的頻率會有明顯的不同,而正是因為腦波具有這種隨著情緒波動而變化的特性,人類對于腦波的開發(fā)利用成為了可能。像電影《阿凡達》中所展現(xiàn)的利用意念操控阿凡達,實際上就是腦機接口技術(shù)(Brain-Computer Interface,簡稱 BCI),這是指在人腦與計算機等外部設(shè)備之間建立直接的連接通路。通過對于腦電信息的分析解讀,將其進一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動作,這就是用“意念”操控物體的基本原理。 ● ● ● 推動臨床研究的難點在哪 你很難想象,科學家在 1963 年就已經(jīng)開始嘗試腦機接口研究了。當時,英國一家醫(yī)院的醫(yī)生 Grey Walter 為了確認癲癇病人的腦內(nèi)病灶,在其貼近大腦皮層的地方放了電極,電極可以清晰地獲取病人的神經(jīng)活動。Walter 醫(yī)生有一天突發(fā)奇想,在病人們觀看風光幻燈片的時候,偷偷把腦電電極連接到了自己發(fā)明的“電位轉(zhuǎn)換器”上,把病人大腦運動皮層的場電位信號,轉(zhuǎn)換成了幻燈機換片的控制信號。于是奇跡發(fā)生了:病人每次打算更換幻燈片時,但還沒有按動按鈕,幻燈機似乎已經(jīng)知道了他們的想法,自動切換了。這是腦機接口技術(shù)的第一次完整實現(xiàn):采集大腦神經(jīng)信號,翻譯轉(zhuǎn)換后控制外部設(shè)備。 然而 50 多年過去了,為什么這樣的技術(shù)還沒有真正應(yīng)用到臨床上來呢? 腦機接口需要多學科的高度協(xié)作。如何長期穩(wěn)定地記錄生活,芯片怎樣安全植入并保持長期穩(wěn)定記錄,這些在神經(jīng)外科,電生理、微電子等等領(lǐng)域的高度配合下才能達成。一方面要想獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定的腦電信號,就需要在電極和頭皮之間注入導電膠,這種膠體適合于兩小時內(nèi)的短期使用,時間長了就會干結(jié),其中的離子運動受阻,腦電信號質(zhì)量會大幅度下降,直至腦機接口系統(tǒng)無法工作。另一方面環(huán)境中的電磁噪聲、使用者體表的電生理信號,甚至使用者的心理狀態(tài)也會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,很多腦機接口的識別算法離開實驗室就無法穩(wěn)定工作了。 除了技術(shù)上的難點,道德倫理問題或許也是腦機接口難以普及的一個原因。國外媒體 The Verge 曾在 the big future 欄目中,談及了腦機接口的一個方向:在大腦中植入設(shè)備,避免人類在工作的時候開小差或者走神。這些應(yīng)用已經(jīng)遠遠超出醫(yī)療領(lǐng)域之外,也讓人們越來越擔憂腦機接口的未來——如果設(shè)備可以插入大腦中,讀取大腦的信息,控制人的思維,那么他人看到我們大腦中的信息也不會是難事,電影《盜夢空間》里竊取他人思想的事情也許會在現(xiàn)實中上演。不僅如此,一旦技術(shù)被濫用,會不會有利用設(shè)備控制他人而進行的犯罪行為出現(xiàn)?更恐怖的是,未來,人會不會被機器所控制? 加州大學伯克利分校電子工程與神經(jīng)科學副教授 Jose Carmena 曾就人們的擔憂表示“人腦是這些所有行為的控制方,腦機接口的主要目的是通過腦形成一個環(huán)路,整個環(huán)路中一直都是由大腦來對機器進行指揮,機器只是被動的接受體?!北M管如此,腦機接口涉及到的道德、倫理問題依舊讓一些相關(guān)實驗面臨種種阻礙。 ● ● ● 應(yīng)用及最新進展 2014 年巴西世界杯期間,一名腰部以下癱瘓的少年通過由腦電波控制的機器外骨骼踢出了世界杯的第一腳球。這里利用的就是腦機接口技術(shù)。通過讓用戶依靠個人意念來進行交流以及控制設(shè)備,腦機接口對幫助 ALS 等病患治療有巨大潛力。 前不久,斯坦福大學開發(fā)的一項研究讓猴子能夠用意念敲出《莎士比亞》全集。猴子的大腦皮層中被植入了一種電極,通過訓練,它們學會把屏幕上的光標移動到指定位置。從猴子的大腦中收集數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)化成電腦可以識別的命令。當猴子觀看屏幕的時候,它的腦電波通過電腦控制光標到達指定位置,然后它們將單點編成綠色的序列,就能讀出莎士比亞經(jīng)典作品《哈姆雷特》里的字句——全程無需接觸鼠標或鍵盤,用腦電波就能完成。對此,雷鋒網(wǎng)(公眾號:雷鋒網(wǎng))進行過相關(guān)報道。 腦機界面不僅被用于控制屏幕上的光標,研究人員還希望它能為假肢提供觸覺,幫助殘疾人與周圍環(huán)境互動。 上周,由 EPFL 領(lǐng)導的國際研究團隊開發(fā)了一款神經(jīng)假體界面,通過對大腦和脊柱的重新連接,使腿部癱瘓的猴子能夠重新行走。這是人類首次通過神經(jīng)科技恢復(非人類)靈長類的運動功能,相關(guān)論文在 Nature 發(fā)表。在脊髓受損的情況下,“神經(jīng)義肢界面”(neuroprosthetics interface)承擔了橋梁作用。該團隊將其植入到猴子的大腦,該介面充當了大腦與脊椎之間的無線連接裝置,能解碼腦部運動皮層移動腿部的訊號,并將該腦波訊號及時無線傳至腰椎區(qū)域,刺激它們的腿部肌肉行走。這項研究成果是人類向治療癱瘓等疾病邁出的重要一步。 最近,國外媒體報道了世界上首例成功的人類腦機接口實驗,這意味著 BCI 技術(shù)在人類身上的運用得到了重大突破。 BCI 幫助荷蘭一位 ALS 女病人拼寫詞語和句子。而且更重要的是,這套接口幾乎可以隨時隨地使用,讓她即使在戶外也能夠與朋友進行交談,而不需要醫(yī)療專家在一旁隨時提供幫助。 外科手術(shù)將一種設(shè)備植入病人的大腦,該設(shè)備帶有兩個安裝在大腦皮層運動區(qū)的電極,用戶可以通過它們控制運動。這些電極的位置是非常關(guān)鍵的——一個必須安裝在大腦中負責右手運動的位置,另一個則會在你想要倒計數(shù)時開始工作。電極連接著安裝在女病人胸部起搏器大小的發(fā)射器,發(fā)射器可以與她面前的計算機屏幕進行無線通信。當她注視屏幕時,就會看到虛擬鍵盤上有一個可移動的光標,當光標移動到她想選擇的字母上時,她必須想象右手點擊了那個字母。雖然病人無法使用右手,但她的大腦仍然可以發(fā)出運動的指令,而電極會收集這些信號,傳遞到發(fā)射器,然后傳遞到計算機和屏幕上。 僅僅六個月的訓練之后,該患者已經(jīng)可以正常使用這套系統(tǒng),打字正確率已到 95%。并且隨著測試的推進,研究人員相信打字的準確率和速度都將大大提高。 用意念進行交流或者運動,這聽起來似乎只是科幻小說里才會發(fā)生的故事,而在腦機接口技術(shù)的幫助下,也許未來癱瘓病人真的能夠重新與外界進行自由自在地交流,他們的思想將不再受到軀體的束縛。 Via sciencealert |
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