乏善可陈的Neuralink

Posted 2022-03-22 turingbooks

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了乏善可陈的Neuralink相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

题图/Getty Images

导读

马斯克一直在不遗余力地鼓吹其脑机接口公司Neuralink的先进性，但从根本上来说，Neuralink的工作大都有炒冷饭的嫌疑，更谈不上什么革命性创新。且听我一一道来。

前几天，马斯克的脑机接口公司Neuralink被骂上了头条，原因是该公司虐待动物，致使15只实验猴子死亡。

根据已公开的实验记录，实验人员在动物头骨上钻孔，然后安装侵入性脑机接口设备，让动物产生了反复感染，有些猴子接受多次植入/取出手术，还造成了大脑损伤。对此，Neuralink回应称，这些猴子本身并不是完全健康的，并且实验操作规程经过了严格审核。

图/hypebeast

坦白讲，如果Neuralink所言属实，那么他们所做的可以说是侵入式脑机接口的常规操作。重点是「常规」这两个字：因为迄今为止，该公司大肆宣传的研究进展，跟学界以前的科研成果相比，基本上没什么新意，离「革命性进展」更是差了十万八千里。

新瓶装旧酒

Neuralink公司成立于2016年，此后一直备受关注。

2019年公布了一种叫做「线」（thread）的技术，这种「线」只有4~6微米宽，比头发丝还细，植入大脑之后能用来传递信息；同时还配有「无线」芯片，它能嵌入人体并用无线方式传输数据。

2020年8月那场发布会让更多人知道了这家公司，因为马斯克把脑机接口吹得神乎其神：他们发布了只有硬币大小的Fitbit，并用植入该设备的小猪做了演示，不仅能记录猪的脑电波信号，还能预测它的运动；马斯克当时还声称，Neuralink的脑机接口将来有望召唤汽车、打游戏，并且能治疗诸如失聪、失忆、中风等疾病，甚至连抑郁症、精神分裂症、自闭、失眠、成瘾都能治疗，另外，他还声称有望在5年内实现大脑间的直接交流，将来还能上传和下载记忆，从而实现科幻中的「数字永生」。

图/Neuralink/Youtube

2021年，马斯克又公布了一项「重要」成果：猴子能靠意念在电脑屏幕上玩游戏。

看上去，Neuralink一直给人一种高大上的感觉，好像他们已经走到了研究最前沿，甚至实现那些「科幻级」功能也指日可待了。

如果只看公司对外发布的公关内容，当然会有这种错觉。但是，如果对脑机接口有所了解，对于马斯克描绘的光明前景是要打一个大大的问号的。

不可否认，Neuralink的某些技术确实可圈可点，比如「线」和「无线」芯片，导线不必暴露在皮肤外面，而是埋在皮肤里面，这样就能减少感染风险。

但其他所谓的成果，大部分在很多年前就已经有人实现了，还有的至今仍是天方夜谭。Neuralink成立这些年来一直颇受关注，这与马斯克精于炒作是分不开的。

今天，笔者就要对马斯克的炒作点挨个儿驳斥。

脑机接口猜的是「运动意图」

笔者私以为很重要的一点是：脑机接口是用来「猜测」使用者的「运动意图」的。首先，猜测运动意图跟解读甚至传输意识完全不是一个概念；其次，猜测运动意图正是脑机接口技术几十年以来一直在做的事情，并且早就有不错的进展了。

脑机接口的基本组成图/ResearchGate

从原理上来讲，脑机接口并不复杂：人们在做某些思维活动，或者受到某些外部刺激时，脑电信号会呈现出对应的规律性变化。所以，大脑活动可以通过具体的脑电信号来表达。这种信号是大脑与外界沟通的桥梁。脑机接口就是通过检测或影响这种脑电信号来和神经元沟通的。进一步说，脑机接口系统通过探测神经元的电信号，来推测大脑的工作状态。

脑机接口系统将大脑和计算机连接起来，从而让大脑与计算机直接沟通。脑机接口的信息传递是双向的：既能从大脑传递信息到计算机来操控外部设备，也能从计算机传递信息到大脑，用电信号刺激脑神经。

无创型脑机接口图/Neuracle

一般而言，脑机接口可以分为无创型（非植入型）和植入型。大家最常见到的无创型就是有几十到上百个圆盘形电极、粘贴到头皮上的那种，如上图所示，它可以记录大脑中的电流变化。

植入型就是Neuralink展示的那种，需要往头颅内部植入电极，电极的植入深度有两种：一种是植入到颅骨和大脑之间（不探入大脑皮层），另一种是植入到大脑皮层内部。

这几种方法收集到的神经信号精度和强度是依次增强的。

植入型脑机接口图/Stanford video

脑机接口系统提取到神经信号后，还要进行解码，也就是查明相关神经元电信号到底是什么意思。我们知道，运动中枢就集中在皮层上，通常来说，通过解码神经元电信号，猜测的就是使用者的运动意图：他是想走路，想抬手还是转动眼球？

然后，控制系统就根据解码的结果来控制假肢运动，或者控制屏幕上的光标活动。同时，系统还能向大脑提供反馈信号，以便调节假肢或光标的操控，比如减小机械手的抓握力，以免捏碎杯子。

脑机接口到底能干什么？

脑机接口主要用来「恢复」身体被损伤的机能，比如帮下肢瘫痪者恢复走路的能力、帮视弱者恢复视力（人工视网膜）、帮部分失聪者恢复听力（人工耳蜗）等。

从已有的报道来看，马斯克展示和声称的大部分功能其实早就实现了，比如：

无创型脑机接口：用意念打字不在话下

无创型脑机接口可以探测到神经元同步活动频率的变化，通过分析各频率的相对强度，把分析结果反馈给使用者，也能根据这些结果控制目标。市面上有些相应的可穿戴脑电波玩具利用的就是这一原理：让玩家用脑电波给玩具车加速，或者戴上可以探测分析脑电波的猫耳朵，它能根据人的情绪变化做出一些指示动作或颜色变化。

脑电波猫耳朵图/淘宝

另外，无创型脑机接口还能获取大脑对身体各部位运动的想象，比如使用者在想象两腿运动时，相关运动功能脑区的神经元会激活，附近的电极记录的频率就会有变化，软件分析点击信号，用算法来猜测使用者的想象，从而控制外骨骼行走。当然，根据不同的想象，系统可以实现不同的功能，比如让轮椅转弯或直行，还能控制屏幕上的图标运动从而实现打字的功能，目前的频率已经达到一分钟输入上百个字母了。

用意念打字图/techcrunch

植入型脑机接口

植入型脑机接口能实现更复杂的功能。2011年，美国匹兹堡大学就给一位女士植入了脑机接口装置，训练数周后，她就能用机械手给自己喂巧克力和咖啡了。

我国首例接受植入型脑机接口手术的患者图/浙江大学

2020年初，我国完成了首例植入型脑机接口的临床研究，病人做完4个月的康复训练之后就能用意念控制机械臂进食、喝水和日常娱乐了。

植入型脑机接口还能直接读取人想说的话。方法如下：用电极记录大脑语言区的神经活动，同时让受试者阅读或默念一些句子，然后分析获得脑电信号各频率的相对强度，再根据这些频率找出脑活动对应的语言。了解了脑电频率和语言之间的关系后，就能把记录到的信号转换成句子了，即使不开口，机器也能了解并表达出使用者想说的话。

用意念「说话」图/UCSF

近年来，脑机接口在医学康复领域的应用也逐步兴起。2014年，天津大学神经工程团队研制了一套应用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统，在患者体外仿生构筑了一条人工神经通路，通过模拟解码患者的运动康复意念信号，驱动神经肌肉电刺激，从而让瘫痪的肢体做出了对应的动作。

其他比较成熟的脑机接口产品

以上介绍的都是用脑机接口读取大脑信号，然后将解码的信息发送出去，以实现某种目的。除此之外，脑机接口也能向大脑传递信息，刺激电极周围的神经元，既能提供反馈（比如用机械臂抓握玻璃杯时，通过相应的反馈来调整抓握力度），也能产生人工触觉、人工视觉和人工听觉。

人工视网膜系统图/University of Southern California; National Science Foundation

不过，脑内电刺激还处在实验阶段，相比之下，神经接口电刺激（对大脑以外的神经进行电刺激的技术）发展较为成熟，一些利用该技术的神经接口产品已经上市，比如人工耳蜗和人工视网膜，分别是用电刺激来激活听觉神经和视网膜里的神经元，从而让患者重新获得听觉和视觉，前提是听觉神经和视网膜神经，以及相关的神经中枢都完好无损。

脑起搏器

马斯克还提到脑机接口将来能治疗抑郁症、失忆等大脑深部病变导致的神经精神疾病。但是，这里他把概念混淆了。不是说脑机接口不能治疗这种疾病，而是对于这类疾病，已经有相对较为成熟（当然也没有十分成熟）的治疗手段了，这种技术叫做「深部脑刺激」，俗称脑起搏器。

脑机接口治疗帕金森病示意图图/Research Gate

脑起搏器最主要的应用是治疗帕金森病。迄今为止，全球已经有超过10万名帕金森病和其他神经精神疾病患者因此受益。

一般来讲，脑机接口和脑起搏器的电极植入的脑区是不一样的。由于运动中枢、感觉中枢、听觉中枢、语言中枢等均位于大脑皮层，所以植入型脑机接口的电极需要植入皮层，而脑起搏器的电极需要植入大脑深部，例如治疗帕金森和抑郁症的靶点分别位于丘脑和扣带回膝下部，植入皮层的脑机接口电极恐怕“鞭长莫及”。对外宣传中谈及的脑机接口有望治疗各种神经精神疾病，往往指的是深部脑刺激。当然，也可以将它看作另一种类型的脑机接口。

难于登天

尽管已经取得了诸多成绩，但到目前为止，脑机接口基本上还处于实验室展示的水平，距离真正的商业化应用还有很漫长的路要走，它还面临着很多亟待解决的难题——

脑科学问题：脑部疾病的致病机制尚在研究当中，这些问题没有研究明白，脑机接口就不可能有成熟应用。

图/Brown University

脑电信号采集的准确性：如果要实施精确监测，必须在脑内植入大量电极。然而，大脑皮层中有上百亿个神经元，一个电极记录的是皮层千千万万的神经元电信号，不可避免地会受到其他信号的干扰。想要实现真正的精确测量，简直困难重重。哪怕将来达到几万个电极，对于天文数字的神经元来说，也只是九牛一毛。而且，这么多的电极如何植入到大脑里？如何处理海量的数据？一般的计算机很可能实现不了这种超算功能。

安全性和植入电极的工作寿命：将数量巨大的电极植入皮层中，需要打开颅骨，还要保证不引起出血等损伤，难度非常之高。而且我们身体的免疫组织会长期攻击植入电极，免疫细胞会将它们包围起来，形成疤痕组织，所以电极的记录质量会慢慢下降，长则几年，短则几个月，电极就完全监测不到神经元活动，如果需要再次使用，就得重新植入电极。这也增加了损伤大脑神经元和感染的风险。

图/UCSF

神经解码和编码：目前仍然是“黑箱”。脑机接口只是将复杂的神经元活动还原成简单的脑电波数据，解码的精确度还是太低了。而且，解码对应的是“从脑到机”，是“猜测”使用者的“运动意图”，与“解读意识”完全不是一个概念，而编码对应的是“从机到脑”，更是难上加难，基本还处于完全的未知状态，再加上科学家对于“意识”本身的机制还没研究清楚，所以意识上传、数字永生还是科幻构想，恐怕我们有生之年都见不到那天的到来。

通信速度慢：脑机接口最大信息转换速度只有每分钟100比特左右，这个效率远远达不到正常交流的水平，也无法控制外接设备做出复杂且流畅的动作。

此外，脑机接口是一门复杂的交叉学科，涉及到神经科学、认知科学、机械动力学、信息工程学、材料学等，任何一个学科有短板，都会严重制约脑机接口的发展。

脑-脑接口初露曙光

马斯克还提到有望在5年内实现大脑间的直接交流。这其实是脑-脑接口，早就有人在研究了。脑-脑接口大家也不陌生：电影《阿凡达》里就有过展示，人类可以通过脑对脑的直接信息传递，远程控制潘多拉星球上经过改造的纳威人的身体。

事实上，有研究表明：从一只动物的大脑皮层提取神经电生理信息，将其解码后，确实能刺激另一只动物的大脑皮层。

2014年，上海交大的研究团队就申请过一项脑-脑接口的发明专利，工作步骤是：视频监控动物的运动信息，传输至脑机接口的实时控制界面，控制者（人）在控制界面看到动物的运动状态，然后表达其大脑控制的意图，脑电采集模块会采集控制者的脑电信号，发送至计算机端的处理模块，最后将解码后的信息发送给动物的神经电刺激电极，进而控制动物的运动方向。简单地说，它其实包含了两套脑机接口系统，分别在受控动物和控制者两端。

上海交大的脑-脑接口设想图/上海交通大学

2018年，美国华盛顿大学的研究团队首次成功建立了多人脑-脑接口系统，成功合作完成了俄罗斯方块游戏。他们将三名受试者分成两组，其中二人可以看到完整的游戏界面，并通过脑机接口发出是否旋转屏幕上最新出现的图形角度的指令，第三个人接收到指令来实施操作，平均正确率高达81.25%。该研究展示了利用连接大脑的“社交网络”协作解决问题的可能性。

之前讲到脑机接口的信息传递很慢，脑-脑接口更是如此，由于需要提取脑电信号、解码、将解码信息传递到正确的神经环路，这些高难度过程使得脑-脑接口的信息传递速率只有0.004~0.033比特/秒。2020年初，北京脑科学与类脑研究中心的科研人员提出了一种新型脑-脑接口，先用光纤记录系统从“控制鼠”的大脑神经元中提取运动信息，然后解码，进而通过光遗传学手段刺激“阿凡达鼠”的特定神经元，信息传递速率达到了4.1比特/秒，比以前的同类研究高出2~3个数量级，实现了两只动物的高度同步化运动，从原理上验证了跨个体精确控制动物的可能性。