捕捉人腦的意念，直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令———這樣的科學(xué)探索,，已經(jīng)演變?yōu)?a href="http://hnhlg.com/sell/list-146.html" target="_blank">醫(yī)療領(lǐng)域的巨大商業(yè)需求，同時(shí)也為各國(guó)軍事機(jī)構(gòu)所重視,。美國(guó)布朗大學(xué)的科學(xué)家說：“你的腦袋能想到哪兒,，我們就能接到哪兒。”
這完全是一個(gè)抽象的故事。
故事里沒有人,、時(shí)間和地點(diǎn),。它的主人公是一種虛無飄渺的東西———意念，而它的配角則是隱藏在空氣中的電波,。它們共同演繹著一個(gè)老套卻又刺激的故事情節(jié)———“隔空取物”,。
講述故事的人，是清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的副教授洪波,。他所在的由高上凱教授領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室在6月宣布,，他們已經(jīng)研制出一套系統(tǒng)———這個(gè)系統(tǒng)連接大腦和外部設(shè)備，兩名受試者不用任何動(dòng)作,，只用意念,，便控制了兩個(gè)機(jī)器狗在地毯上踢了半天足球。
與清華PK的,，是美國(guó)布朗大學(xué)一個(gè)研究小組,。今年7月，《自然》雜志封面報(bào)道了他們的研究成果———全世界第一例將電極植入人腦實(shí)現(xiàn)“隔空取物”的臨床實(shí)驗(yàn),。編輯對(duì)其配備了三篇評(píng)論———在這本雜志的歷史上,，這很少見。
不管怎樣,，他們的系統(tǒng)都有同一個(gè)名字———腦機(jī)接口系統(tǒng)(brain-computer interface,BCI),。在學(xué)術(shù)上，這種技術(shù)被定義為“人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道”,。
清華和布朗,，代表著這個(gè)研究領(lǐng)域的兩個(gè)方向———非侵入式和侵入式(人腦植入電極)BCI系統(tǒng)?？茖W(xué)家們正對(duì)此進(jìn)行新一輪的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論,。焦點(diǎn)是，誰(shuí)更適合將這個(gè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,。
當(dāng)然,，故事極其復(fù)雜。BCI正是支撐整個(gè)敘述的核心道具———一個(gè)意念與外物之間的通道,。通過這種通道,，人就可以直接通過大腦來表達(dá)想法或操縱物體，而不再需要通過語(yǔ)言或肢體動(dòng)作,。
故事,，就從這個(gè)通道開始。
捕捉
許多人認(rèn)為,，在我們生存的現(xiàn)實(shí)世界之外,，大腦是另一個(gè)完整的世界,。
誰(shuí)也不知道那些頭皮底下正在發(fā)生的故事。那里馳騁的是無盡的想象———高尚或者猥瑣,。只要不把這些想法付諸行動(dòng),，外人永遠(yuǎn)不可知曉。
我們的主人公———人的意念———就生活在那個(gè)封閉的空間,。它左右著身體的各個(gè)部位,。但是，即便意念如此強(qiáng)大,，它也有無能為力的時(shí)候。醫(yī)學(xué)專家統(tǒng)計(jì),，全世界約有一千萬(wàn)BCI系統(tǒng)的潛在用戶,，包括1600萬(wàn)的腦癱腦萎縮患者，以及至少500萬(wàn)的脊索傷者,，另有1000萬(wàn)的因腦干問題引起的全癱患者,。
意念對(duì)這些人癱瘓的肢體毫無辦法。只憑大腦,，他們無法行走,，運(yùn)動(dòng)，甚至喪失說話的能力,。他們只剩下思想———唯一能挽救他們的,，就是打開一個(gè)通道，意念可以穿越它,，通過外部設(shè)備來實(shí)現(xiàn)喪失的軀體功能,。
但首要的一步，則是必須捕捉到意念,。神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，當(dāng)意念在大腦活躍的時(shí)候，它可以發(fā)出一系列微弱的信號(hào)———神經(jīng)元放電(腦電波),。采集到這些信號(hào),，就等于捕捉到意念的內(nèi)容。
這是一個(gè)有規(guī)律可循的生理法則,。不同的意念,，在大腦皮層對(duì)應(yīng)著不同的功能分區(qū)。抬手,、提腿,，任何一個(gè)身體部位的運(yùn)動(dòng)，都對(duì)應(yīng)著不同的區(qū)域,，發(fā)出不同的信號(hào),。也就是說,，只要我們?cè)诖竽X里找對(duì)位置，就可以捕捉到相對(duì)應(yīng)的意念,。
但是,，捕捉工程卻并不簡(jiǎn)單。
全世界許多國(guó)家的大學(xué),、研究所目前都在從事類似的研究,。美國(guó)布朗大學(xué)的研究小組今年7月在《自然》雜志發(fā)表論文，宣布他們成功的從兩名受試者的大腦采集到了意念信號(hào),。
其中一名25歲的受試者來自馬薩諸塞,，患有嚴(yán)重脊髓損傷，其脖子以下部位都沒有知覺,。2004年,，科學(xué)家將一片傳感器通過外科手術(shù)植入受試者的腦部。這種傳感器只有嬰兒用阿司匹林大小,，上面帶有100個(gè)比發(fā)絲還細(xì)的微電極———用以采集來自周圍神經(jīng)元發(fā)射的電信號(hào),。
但這種方式具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，并不是每一個(gè)人都愿意在自己的大腦里放入一塊金屬片,。布朗大學(xué)的科學(xué)家也是第一次在人類身上實(shí)驗(yàn),。此前，他們的受試者大多是猴子,。
不過,，還有另外一種捕捉方式正在被嘗試。
清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室給受試者戴上了一頂電極帽———這是非侵入式的方法,。當(dāng)意念產(chǎn)生之后,，它所發(fā)出的腦電波傳導(dǎo)至頭皮，然后被電極帽采集,。這種帽子和配套的信號(hào)記錄系統(tǒng)現(xiàn)在已是商業(yè)成品,，并不需要實(shí)驗(yàn)室自己制作，價(jià)格從數(shù)千元到數(shù)十萬(wàn)元不等,，差別主要在電極帽電極個(gè)數(shù)和信號(hào)的記錄精度,。
博士生王毅軍稱這種捕捉方式為宏觀采集，而美國(guó)布朗大學(xué)的植入方式,，是一種微觀的采集,。雖然從信號(hào)效果和采集速度來看，后者顯然強(qiáng)大很多,，但前者更方便,，也更安全。
其實(shí),，無論哪種捕捉方式,，都僅限于技術(shù)層面上的區(qū)別,。更關(guān)鍵的問題是，我們的主人公并非那么輕易被捕———它太容易受到個(gè)體自身和外在環(huán)境的影響,。
一些受試者可以良好地控制自己的意念,，他們注意力集中，意念非常容易被電極帽捕捉,。但是,，在王毅軍測(cè)試的20多名受試者中，大約只有20％的人可以做到這一步,。
由于個(gè)體差異,，大部分受試者一開始并不能完全掌握意念的控制方法。這就需要持續(xù)不斷的前期培訓(xùn),。王毅軍讓這些受試者戴上電極帽,，將采集到的信號(hào)連接到計(jì)算機(jī)。然后設(shè)計(jì)一個(gè)電腦程序,，利用生物反饋原理讓他們?cè)陔娔X屏幕上訓(xùn)練———比如控制鼠標(biāo)的移動(dòng)。
盡管如此,，沒有哪一個(gè)科學(xué)家敢說他一定能捕捉到全部的意念,。更何況，在人類大腦頭皮上,，還分布著許多未開發(fā)的意念區(qū)域,。布朗大學(xué)此次植入的電極片，是放在腦部負(fù)責(zé)“主動(dòng)運(yùn)動(dòng)”的大腦皮層表面,。
而對(duì)于整個(gè)大腦來說,，這只是微小的一部分。
解讀
對(duì)于整個(gè)通道來說,，捕捉到意念,，才只是一個(gè)開始———意念進(jìn)入通道時(shí)，已經(jīng)不再是一個(gè)抽象的思維,，而是一些還有待進(jìn)一步識(shí)別的腦電信號(hào),。
當(dāng)然，它不會(huì)輕易被人識(shí)破———這些信號(hào)非常微弱,?？茖W(xué)家在通道入口處安排了一個(gè)名叫腦電放大器的設(shè)備———它能迅速將信號(hào)放大很多倍，研究者借此可以捕捉到更清晰的意念,。
這個(gè)設(shè)備和電極帽或者植入的電極片,，在學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱為“腦電采集設(shè)備”。這套設(shè)備掀去了意念的外衣,，接下來更重要的事情是,，看看外衣下面到底隱藏著什么,？
而這一步，才是世界各個(gè)實(shí)驗(yàn)室爭(zhēng)奇斗艷的法寶,。這一步的目標(biāo)是解讀意念,，使其內(nèi)容一覽無遺，而手段就是將它完全脫光,。意念進(jìn)入通道之后,，抵達(dá)一臺(tái)計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家們所要做的,，就是設(shè)計(jì)一種“算法”，從而識(shí)別出意念所表現(xiàn)出來的腦電信號(hào),。
但這種“算法”卻是整個(gè)通道中最為艱難的一步,。在學(xué)術(shù)上，它被稱為“信號(hào)處理和模式識(shí)別”,。它的任務(wù)是從原始的腦電信號(hào)中,，提取出更精確的信號(hào)，然后加以分類識(shí)別,。到最后,，我們可以清晰判斷出，被捕捉的意念到底想要干什么,。
每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在絞盡腦汁,，希望想出更快速、更完美的算法,。
在中國(guó),，許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行“算法”的研究。在全世界,，自2001年以來已經(jīng)舉辦過三次有關(guān)“算法”的數(shù)據(jù)處理競(jìng)賽,。但沒有人敢聲稱，他的算法就是最好的,。
洪波所在的清華大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室,，在國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域已是翹楚。事實(shí)上,，BCI涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,，它是神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué),、計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子等多學(xué)科的交叉技術(shù),。在清華，它的工科背景為實(shí)驗(yàn)室在“算法”上的研究添加了一個(gè)籌碼,。
正因?yàn)槿绱?，清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先宣布他們研制出一套“真實(shí)可用”的BCI系統(tǒng),。而國(guó)內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)室，有的還停留在理論階段,。
但無論何種算法,，它至少都能一窺意念的真實(shí)內(nèi)容。在此時(shí)的通道里,，它幾乎可以瞥見遠(yuǎn)處的曙光———意念控制物質(zhì),。
變身
最艱難的時(shí)光已過去，故事也到了盡頭,。但距離奇跡的出現(xiàn),，還差一小步。
經(jīng)過“算法”折騰之后的意念,，此時(shí)已經(jīng)變身為人類(至少計(jì)算機(jī))可以識(shí)別的信號(hào),。我們已經(jīng)清楚地知道大腦試圖表達(dá)的內(nèi)容———抬手、取杯子,，或者扇自己耳光,。
但是要達(dá)到“隔空取物”式的魔術(shù)表演，BCI系統(tǒng)還必須配齊另一種設(shè)備,。否則,，殘疾人的手不會(huì)自己動(dòng)起來，桌子上的杯子也不會(huì)無緣無故的飛起來———“一切必須是可控的物質(zhì),。”王毅軍說。
科學(xué)家們?cè)跉埣踩耸ブX的手上配備機(jī)械裝置,。如果他想抬手,，這個(gè)想法會(huì)立即被采集，然后進(jìn)入通道,。經(jīng)過精確的信號(hào)處理和分類,，計(jì)算機(jī)明白了大腦的意思，然后向手上的機(jī)械裝置發(fā)出“抬手”的指令,。
這最后的一步,，才使意念成為現(xiàn)實(shí)。但是在目前,，它幾乎很容易就可以實(shí)現(xiàn),。人類對(duì)計(jì)算機(jī)的掌握已經(jīng)駕輕就熟。對(duì)于BCI系統(tǒng)來說,，這一步是終點(diǎn),，卻最簡(jiǎn)單。
一套應(yīng)用于殘疾人的理想BCI系統(tǒng)是,，將電極帽,、腦電放大器,、計(jì)算機(jī)處理全部濃縮為一個(gè)便攜的盒子，然后無線指揮身體的各個(gè)部位,。隨著“算法”的改進(jìn),，意念被解讀的速度將會(huì)越來越快，內(nèi)容也會(huì)日益完整,。大腦控制失去知覺的身體,，也將更加容易。
但這僅僅是理想,。
清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室在一篇論文里說,，“BCI研究的核心問題是要解決兩個(gè)智能系統(tǒng)之間(大腦和計(jì)算機(jī))的協(xié)調(diào)問題。對(duì)于計(jì)算機(jī)而言,，人們對(duì)其的掌控是有把握的,。但對(duì)于大腦而言，事情就要復(fù)雜得多,。”
“當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化,，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)很快調(diào)整聯(lián)結(jié)關(guān)系和工作模式來適應(yīng)外界的變化。因此,，對(duì)于不同的受試者或同一位受試者,，在不同的時(shí)間里完成同一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，腦內(nèi)活動(dòng)的模式都將會(huì)出現(xiàn)很大的差異,。如何適應(yīng)這種由于生物腦的學(xué)習(xí)機(jī)制帶來的變化,，將是BCI最大的難點(diǎn)。”
一言以蔽之,，人的大腦比我們目前所了解的,，要復(fù)雜得多。這是BCI研究的難題,，也是人類試圖了解自己的障礙,。
·背景·
腦機(jī)接口技術(shù)(BCI)形成于20世紀(jì)70年代，是一種涉及神經(jīng)科學(xué),、信號(hào)處理,、模式識(shí)別等多學(xué)科的交叉技術(shù)?；谶@種技術(shù)開發(fā)的醫(yī)療儀器和產(chǎn)品,，可以為運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人提供一種全新的手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的控制，也可以為一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合提供一種輔助的控制方式,。
除了相關(guān)的基礎(chǔ)研究之外,，科學(xué)家們已經(jīng)開始將目光轉(zhuǎn)移到醫(yī)療器械的開發(fā)上。目前，清華大學(xué)正在和北京大學(xué)第三附屬醫(yī)院,、中國(guó)康復(fù)研究中心等開展合作,。他們預(yù)計(jì)，在3至5年內(nèi),，以此技術(shù)開發(fā)的醫(yī)療產(chǎn)品將會(huì)走向成熟,，并應(yīng)用于醫(yī)療實(shí)踐中。
國(guó)際上,，美國(guó)布朗大學(xué)得到了美國(guó)FDA的批準(zhǔn),，允許其進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。但距離大規(guī)模的投入市場(chǎng),，還有待時(shí)日,。美國(guó)國(guó)防部以大筆資金在全美資助此科研項(xiàng)目，他們認(rèn)為BCI技術(shù)在未來的軍事領(lǐng)域前途不可限量,。
現(xiàn)在,，美國(guó)紐約州Wadsworth研究中心，奧地利的格拉茨(Graz)大學(xué),，以及德國(guó),、加拿大都在進(jìn)行前沿性的研究。在中國(guó),、西安交大,、上海交大、華中科技大學(xué),、浙大等院校也在嘗試,，清華大學(xué)的神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室走在前列。
