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《光明日報》刊發我校楊義先教授、鈕心忻教授署名文章《腦機接口:人工智能下一站?》

發布時間 : 2022-07-29 17:18 出處 : 黨委宣傳部(新聞中心) 點擊數 :

【編者按】

近日,威尼斯歡樂娛人城1099楊義先教授、鈕心忻教授所著科普書《人工智能未來簡史——基于腦機接口的超人制造愿景》面世。該書以嚴謹的科學態度,基于神經生物學、腦科學、微電子學和虛擬現實等領域的成就,向讀者展示了內涵型人工智能愿景。

《光明日報》2022年7月28日“新科技”版面,刊發楊義先教授、鈕心忻教授文章,對腦機接口的功能,以及學術界有關腦機接口的相關研究情況進行了梳理。

以下對文章進行全文轉發,以饗讀者:

腦機接口:人工智能下一站?

作者:楊義先 鈕心忻《光明日報》( 2022年07月28日 16版)

隨著人工智能的發展,腦機接口也逐漸從科幻走進現實。有人希望以此造就“超人”,更多的人則希望能夠解決實際問題——讓盲人復明、讓癱瘓在床的患者重新走路、讓阿爾茲海默癥患者找回曾經的記憶……但也有人持有懷疑態度:腦機接口會不會讓別人控制自己的大腦?被人工智能增強了能力的人,還能稱之為“人”嗎?日前,威尼斯歡樂娛人城1099教授楊義先、鈕心忻完成的科普書《人工智能未來簡史:基于腦機接口的超人制造愿景》,對腦機接口的過去、現在和未來進行了全面、客觀而系統的梳理。本期,我們邀請兩位作者撰文,簡單介紹一下他們眼中的腦機接口。

腦機接口并不是個新名詞

腦機接口就是腦系統(準確地說是以腦為主的神經系統)與機系統(準確地說是人造的體外系統)之間的接口(準確地說是電子信息接口)。

既然是接口,腦機接口的主要任務有兩個:一是輸出,即把腦系統的電信號提取出來,并以此作為控制信號或腦電信息,讓機系統去做腦系統想讓它做的事情(即意念控制)或了解腦系統的想法(即猜心術或意念通信);二是輸入,即把機系統的指令以電信號的形式送入神經系統,讓腦系統去做機系統想讓它做的事情,或將既有知識或技能“下載”給腦系統讓它“不學而會”。在遙遠的將來,人們或許能夠通過腦機接口實現意念通信。

總之,腦機接口的最核心思想是:包括大腦在內的神經系統,其實就是像電腦一樣的信息系統,神經系統的各部分之間既接收和傳遞信息,又接受電信號的控制而執行相關命令,所以,腦系統才能與機系統彼此連接。

腦機接口絕非新鮮事物,其歷史之悠久可能出乎許多人的意料。早在1783年,伽伐尼用不同金屬觸碰死青蛙大腿的兩端并引起了肌肉收縮,這其實就在無意間完成了一次腦機接口實驗。該實驗不但表明生物機體是“發電機”,還表明電流哪怕只是十分微弱的電流,也可引發神經的劇烈運動。

1818年11月,英國解剖學醫生尤爾在格拉斯大學操場上公開表演了一個恐怖實驗,展示了電流刺激如何讓神經系統產生預期動作。原來,經過法院特批后,尤爾對一具死刑犯的尸體進行了通電實驗,成功地讓該尸體產生了諸如呼吸、抬手、蹬腿、睜眼等動作,還表現出憤怒、恐懼、絕望、痛苦、驚悚和微笑等表情。尤爾當然不是在虐待尸體或嘩眾取寵,而是在嘗試把將死之人救活——實際上,正是通過這次實驗,尤爾后來發明了心臟起搏電擊法,并沿用至今。

從腦機接口角度看,尤爾首次以事實證明,只要對局部神經系統輸入合適的電信號,人體就會乖乖地執行相關命令。那么,理論上,只要能通過外力改變相關的電信號,就可改變運動神經的相關動作,這便是腦機接口可以治療帕金森癥等的理論基礎。若再加推廣,任何人都可以很快成為全球第二的鋼琴家——只需將排名第一的鋼琴家彈鋼琴時的手臂運動神經電信號,原封不動地輸入自己手臂上相應的運動神經,雙手就會不由自主地彈出優美曲調。同時,雙手的感覺信息又會反饋給大腦,讓大腦逐漸學會如何向手臂發布正確命令。這就相當于鋼琴大師以最精確的重復方式,“手把手”地教人彈鋼琴。

腦電波的神奇功能

1902年11月,德國耶拿的一家精神病院里,一位特別膽大的醫生伯格收治了一位病人,他被擊中頭部,并在顱骨留下一個彈孔。傷者彈口處的皮膚雖然痊愈了,卻能被觀察到不斷跳動。伯格通過記錄頭皮跳動的波形,發現了一個驚天秘密:該波形會隨著患者的思想而很有規律地變化。哪怕患者只是在聽、看、嗅、觸或做其他很微小的動作,甚至患者的情緒波動,都會影響波形。

冥思苦想20余年后,伯格醫生于1924年在他兒子的頭上成功進行了一次腦電檢測實驗。他將自制電流計的正負兩極分別接在兒子的額頭和后腦勺的頭皮上,結果真的記錄到了振蕩頻率大約為10赫茲的神奇電波,如今這種電波稱為伯格波。他觀察到,伯格波會隨著受試者心理和生理情況的變化而變化,甚至哪怕只是眨眼之類的小動作都會讓伯格波發生變化,而正常人與精神病患者的伯格波也不相同。

后來,科學家們進一步發現,從頭皮上不同部位都可以檢測到不同頻率的電磁波,于是便將這些頻率不同的電磁波的匯集,統稱為腦電波。

隨著研究的深入,人們發現,腦電波具有眾多奇妙功能。比如,腦電波能預測某人的學習潛力,特別是外語的學習潛力。原來,如果大腦右側顳葉和頂葉區域的β波(腦電波中的一種頻率為14至30赫茲的子波)很強,那很可能預示著受試者有較強的外語學習能力;另一方面,經過外語訓練的成年人,其β波確實會明顯增強。

腦電波還能用來“猜心”——當你給一個小孩講數學題時,怎么知道他是否在用心聽呢?當小孩聽懂了講解時,腦電波就會明顯活躍;如果他對講解感興趣,其腦電波會更加活躍;當他只是在應付,其腦電波就會明顯減弱。甚至,心理學家利用腦電波還能知道受試者到底是在想桌子還是椅子,或者是在想1到7中的哪個數——受試者在冥想不同事物時,他的腦電波是不同的,只要能得到受試者之前相應的腦電波,便可通過簡單對比而準確地猜出受試者的選擇。人們在研究中也發現,對某些特殊場景中的句子,許多人會激發出幾乎相同的腦電波;反之,通過檢測這種腦電波是否存在,就能推斷出受試者是否正在冥想某個句子。有人就通過這種方法,對多達240個預定的句子完成了準確度很高的“猜心術”。

腦電波還可用于簡單的意念控制。人們發現,每個人在冥想單音節字時,所激發的腦電波幾乎各不相同,而且這種腦電波比較穩定。于是,控制玩具車這類簡單的意念控制就比較容易實現:當你冥想前、后、左、右四個字時,腦電波是各不相同的,而且每個字所對應的腦電波還比較穩定,那么只需要利用這四個穩定的腦電波信號,就能實現讓玩具車前、后、左、右行駛。更一般地,若某種操作的命令個數只是有限的N個,那么,只需要經過簡單的訓練和簡單的指令信號對應,任何人都可以輕松完成意念控制任務。

反之,適當干擾腦電波也可以影響受試者。比如,受試者面對“蘋果”兩字時,既可能想到香甜可口的水果,也可能想到蘋果牌電子產品。如果適時利用一種名叫“經顱刺激”的技術來刺激受試者的美味反應區,那么,就可讓受試者更傾向于將“蘋果”理解為美食,哪怕受試者本來是想買手機。

從幻想照進現實

如今,科學家們已經發明了多種獲取腦電波的設備。已經投入應用的主要是針對健康人群的、精準性稍差一些的非植入式設備,比如大家經常在電視中見到的電極帽,或更加昂貴的磁共振成像儀等。

近些年來,科學家和工程師們則在開發用于特殊病人的植入式設備上花費了大量精力。這類設備被稱為腦機芯片或干脆簡稱為腦機接口,它能獲得更加精準的腦電信息,也能將外界電信號更加精準地輸入大腦。實際上,早在1857年,植入式設備就被用于獲取兔子和猴子的腦電波。但因為安全性、倫理性等考慮,一直沒有在人類的臨床上取得突破。但是隨著人工智能相關技術和工程技術、材料技術的飛速發展,不少科學家又開始了這類嘗試,例如馬斯克即將推出的腦機接口就是植入設備的典型代表。

如今,學術界比較一致地根據控制信息的精準程度,將腦機接口分為宏觀型、中觀型和微觀型三大類。其中,宏觀型腦機接口傳遞的信息主要是腦電波。此類腦機接口的特點是:原理簡單,一說就懂;實現不難,而且已經或正在許多領域中廣泛使用;精度不夠,既不能實現復雜而精準的意念控制,更不是今后意念通信的備選方案。

微觀型腦機接口是與宏觀型腦機接口相對的另一個極端,它們傳遞的信息主要是神經元個體或群體的電特性。它們將是未來研究的難點和重點,一旦實現,將極大地改變人類的現狀,但我們也必須承認,或許在可見的將來,這都還只能是夢想。我們在《人工智能未來簡史》一書中用四句話來描述微觀型腦機接口:不是科幻勝似科幻,腦電之妙玄之又玄;人性自足不假外延,格物致知重在內涵。

中觀型腦機接口介于宏觀型和微觀型之間。與宏觀型相比,中觀型腦機接口將宏觀的體外腦電波替換為顱腔內的“大腦地圖”,即大腦中與物理位置相關的一些電信號。若干年來,科學家們經過反復探測,獲得了一些電信號。比如,刺激某個位置的神經時,受試者會有幸福感;刺激另一個位置,受試者則會在某個指尖上產生觸摸感等?;谶@類研究,科學家們不斷繪制更詳細的“大腦地圖”??梢韵胍?,只要能足夠精準地獲得某人某時的“大腦地圖”,便可在一定程度上實時了解受試者的某些感覺;同樣,只要掌握好電信號的刺激位置、時機、電流強度等,便可以讓受試者產生相應的感覺,或對肢體發出相應的控制命令等。

如今,科學家們已經在中觀型腦機接口上取得了突破性進展。比如,讓盲人“看見”東西。具體來說,就是讓攝像機將圖像切割成20×20的400個點陣,并根據每個點陣的亮度,在皮膚的相應點陣位置上產生相應強度的震動。于是,經過適當訓練后,受試者不用“眼見為實”,就能在頭腦中形成明暗不同的點陣圖像,從而以黑白圖像的方式識別出不同的面孔,知道物體的遠近,觀察到物體的旋轉及形狀變化,了解當前的觀察角度;甚至還能像常人那樣,通過想象“看見”物體被遮擋的部分。

腦機接口展現了無限可能,吸引著科學家們前赴后繼,不懈攻關,也將是國際競爭的焦點。未來,就從今天開始。

(作者:楊義先、鈕心忻,均系威尼斯歡樂娛人城1099教授)

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