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文章来源: 科技日报       发布时间:2019-09-04

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9月3日消息,美国国防部高级研究计划局(DARPA)宣布,其科学家团队将获得资金支持,研发无需手术就能让人脑与机器实现快速“无缝交流”的技术。


乍听这一技术,令人不解,即便在科技力量强大的今天,人脑的秘密依旧是一个“迷”,人脑与机器如何实现“无缝交流”?


作为高度复杂的信息处理中心,人脑的运行方式、记忆形成等复杂功能的运行机制一直未被破解。而脑机无缝衔接技术若能成功,无疑会是人类史上又一突破性发明,这一波操作能否让“意念操控”成真?脑机无缝衔接技术的难点又是什么?针对上述问题,科技日报记者采访了业内相关专家。


脑机怎么实现“交流”?解码神经生理信号中的信息


脑机无缝衔接技术属于脑-机接口技术范畴,早在上世纪90年代,科学家便开始研究这类问题,以期实现“意念操控”。放眼全球,脑-机接口技术研究和产业市场化正蹄疾步稳地展开。


脑机接口技术有望改善人脑运作状态 意念操控或成真


美国《大众科学》月刊网站于近日发文称,美国国防部高级研究计划局正准备组建由6名科学家组成的科研团队,出资请他们研发出无需手术就能让人脑与机器实现快速“无缝交流”的技术。科学家们将通过遗传工程技术、纳米技术和红外线等工具来了解士兵们的想法,最终目标是打造可以“用思想控制”的武器。例如,士兵只需想一下,就可将图片或文件从一个大脑传送至另一个大脑。


美国赖斯大学生物工程学助理教授雅各布·鲁滨逊是团队的负责人之一。他对媒体表示:“这种武器是什么样?举例来说,想象一下有这样一个人,他可以用大脑直接操控无人机,使其上升或下降,或单凭人脑就可分析大量数据或信息。”


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天津大学精密仪器与光电子工程学院助理教授、天津神经工程中心神经计算组负责人许敏鹏长期致力于神经工程与脑-机接口方向的研究。近日他在接受科技日报记者专访时表示,脑-机接口技术主要是通过解码大脑神经生理信号中包含的意图信息,实现人脑与机器的直接交流或者“对话”,该技术按照设备安装方式通常被分为非侵入式和侵入式。非侵入式是将电极放置在人体头皮表面进行信号收集或记录,整个记录过程安全、方便。


“但目前的非侵入式脑-机接口技术,记录的神经信号噪声高、空间分辨率低,严重限制了信号后期的解码效果。侵入式则将电极放置在人体大脑颅腔内,采用这种方式的优势是,用该种技术采集的信号具有较高的信噪比和空间分辨率。但放置电极需要开颅手术,手术创口如果消毒不当,则极易引发感染,同时植入电极还存在生物相容性问题,这些缺点都限制了侵入式脑-机接口技术的应用。”许敏鹏介绍道。


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脑机无缝“交流”何时成真?短期内实现有难度但未来可期


在许敏鹏看来,外媒报道中所说的脑机“无缝交流”,可能是指采用非侵入性或微创方式实现的脑机连接。微创技术多采用灵敏度和稳定性都较高的微电极阵列,来记录目标神经元群释放的信号,同时将环境干扰降低至最小化。“但这一技术目前在实现过程中还需要解决诸多技术难题,例如电极材料的选择与设计、植入点周围微环境的影响等。”许敏鹏说。


而非侵入式脑-机接口技术,近年来已取得了巨大的进步,但由于人体大脑皮层活动产生的神经生理信号在穿过颅骨等组织层后,信号质量会被大大削弱。“所以,要想用非侵入性脑-机接口技术来实现脑机‘无缝交流’,其中一个重大挑战是要让相关设备能从信噪比低、信息量少的‘低质信号’中,提取有效特征并完成模式识别。”许敏鹏说。


看上去,似乎无论是采用非侵入式或微创方式,目前都难以顺利实现脑机“无缝交流”。


国内脑-机接口行业公司博睿康科技总经理黄肖山在接受科技日报记者采访时却从另一个角度解读了这一尚难落地的技术。


“对美国国防部高级研究计划局来说,任何‘黑科技’都并非天方夜谭,因为他们研发的是10年后的技术,他们并不急于一时成败。”在黄肖山看来,美国国防部高级研究计划局支持的很多科研项目都非常超前。


如今美国太空探索技术公司(SpaceX)对外宣布正在研发的脑-机接口技术,早在10年前美国国防部高级研究计划局就已投入力量进行了这方面的研究工作。美国国防部高级研究计划局支持的很多项目,都是以破解大脑工作机制为目标,以期将相关技术应用于医疗、军事等领域。


“他们推进的研究,将不仅强化美国军事力量,还能惠及医疗技术。比如,若科学家破解了人体大脑的工作机制,那么以后医生在治疗阿尔茨海默病时,只需了解致病机制,根据该机制采集大脑相关信号,就能给予相应的治疗。”黄肖山说。


“近年来,微尺度神经接口、高质量微电极技术以及生物工程技术的快速发展为脑机‘无缝交流’提供了前所未有的发展机遇,相信在未来几年该项技术将会迎来重大突破。”许敏鹏预测道。


会出现哪些技术风险?


或陷入科技伦理发展困境


未来几年,脑-机接口技术似乎将成为现实,但技术的进展,为我们带来福祉的同时,也引发了科学界以及公众在伦理方面的担忧。


世界科技史上,伦理问题曾不止一次引发过巨大争议。1978年,世界上第一例试管婴儿在英国出生。2010年,“试管婴儿之父”英国剑桥大学教授罗伯特·爱德华兹才获得诺贝尔奖。而后经过30多年的实践,辅助生殖技术才通过伦理验证,得到公众认可。


诚然,科技发展离不开伦理环境,在技术发展到一定规模和程度时,必须要有相应的科技伦理来规范。脑-机接口技术是否会对人体大脑造成损伤、是否有感染的安全风险、是否会侵犯隐私?这一系列问题,都是人们对于这一“黑科技”的担忧。


正如我国著名计算机软件专家、中国科学院院士梅宏在2019中国计算机大会新闻发布会上对媒体所说:“我们对人脑机理的探究是必要的,但这种技术路线是危险的,如果技术被滥用,后果将不堪设想。”


“的确,尽管脑-机接口技术能给我们带来福祉,例如它能帮助神经肌肉障碍患者恢复基本的交流控制能力,但与该技术相关的神经技术风险仍处在未知和不可控的状态。举例来说,侵入性微电极阵列等设备,可能会带来大脑组织反应或感染等风险。”许敏鹏对记者说。


许敏鹏提出,为了降低可能出现的技术风险,研究人员必须要坚持以人为本的设计原则,设身处地地为使用者考虑,最大限度地发挥脑-机接口技术研究对人类的正面作用,并把风险降至最低。具体来说,在对相关新技术、新方法进行试验前,相关工作人员要组织有关专家进行多学科的协作评估,明确该技术对人类身体、心理可能造成的风险并给出处理应对措施,准确、客观地对待出现的问题并如实报告研究结果等。


“监管制度不完善,常会给科学和技术的发展带来伦理问题。”许敏鹏认为,规范技术发展,不仅要靠从业者自觉,还应建立严格的监管规则,全程记录实验过程,一旦发生问题,及时给予必要的纠正。


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